В песчаных дюнах Небраски неожиданно нашли редкий квазикристалл

Новый тип квазикристалла с 12-кратной симметрией был обнаружен в очень неожиданном месте, что заставило геологов и математиков задаться вопросом, где еще подобные структуры могли быть упущены из виду. Статья на тему была опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Квазикристаллы (или квазипериодические кристаллы) представляют собой структуры атомов, которые лишены трансляционной симметрии, но симметричны в других отношениях за пределами вращательной симметрии истинных кристаллов. После того, как он был впервые синтезирован в 1984 году и обнаружен в природе в 2009 году, мы, возможно, только слегка касаемся процессов, которые могут формировать квазикристаллы.

В настоящее время безымянный квазикристалл был обнаружен внутри образца фульгурита, образованного из песка и металла из упавшей линии электропередач, нагретой как минимум до 1710°C. Химический состав и структура кристалла описаны в новой статье, однако авторы не знают, была ли энергия, необходимая для его изготовления, получена от удара молнии или от электричества, которое когда-то проходило по линии.

Истинные кристаллы представляют собой высокоупорядоченные структуры, демонстрирующие как вращательную, так и трансляционную симметрию: вы получите ровно то же самое, если либо повернете их на определенное число градусов, либо сдвинете все вбок на определенную величину. Это позволяет ячейкам, из которых состоит кристалл, идеально укладываться друг на друга без зазоров; доказано, что возможны только 2-, 3-, 4- и 6-кратные симметрии.

Открытие апериодических мозаик доказало возможность заполнения двумерных пространств вращательной, но не трансляционной симметрией, поскольку эти формы никогда не повторяются идеально. Это привело к предсказанию и последующему созданию трехмерных форм с теми же характеристиками. Открытие икосаэдрита доказало, что такие структуры могут образовываться даже естественным путем, и был обнаружен ряд удивительных симметрий.

Квазикристаллы с пяти-, восьми-, 10- и 12-кратной симметрией были созданы в лабораториях и обнаружены в углеродистых хондритовых метеоритах и на местах ядерных испытаний, получив Нобелевскую премию по химии 2011 года. Квазикристаллы были превращены в антипригарные сковороды и предложены для хирургических инструментов благодаря их исключительной твердости.

Ядерные бомбы и метеоритные удары символизируют экстремальные условия, оставляя открытым вопрос о том, могут ли квазикристаллы образовываться естественным образом в более спокойной среде. Удары молнии не совсем спокойные, но все относительно, поэтому находка квазикристалла недалеко от Хайанниса, штат Небраска, хотя бы немного расширяет список возможностей образования квазикристаллов.

Фульгурит, в котором был найден квазикристалл, имеет длину около 2 метров (7 футов), но не более 8 сантиметров (3,2 дюйма) в поперечнике. Он также содержит правильный кристалл, состоящий из тех же пяти элементов, что и квазикристалл — марганца, кремния, никеля, хрома и алюминия — в разном содержании.

Считается, что и марганец, и алюминий поступают из линий электропередач, а другие элементы присутствуют в местном песке.

Двенадцатикратная симметрия (известная как додекагональная) означает, что каждый поворот на 30 градусов приводит квазикристалл в одно и то же состояние. Это происходит для каждого из равноотстоящих атомных слоев. Даже в лабораторных квазикристаллах декагональная (10-кратная) симметрия более распространена, чем додекагональный тип, показанный здесь. Помимо того, что эта точная форма квазикристалла является новой, открытие предполагает, что мощные электрические разряды могут быть новым инструментом для формирования квазикристаллов.