Рождение квазикристаллов в метеоритах воспроизвели в лаборатории

Геохимики из США и Италии под руководством Пола Асимова из Калифорнийского технологического института нашли свидетельства того, что квазикристаллы могут возникать в результате столкновений астероидов. Лабораторный эксперимент объясняет возможное происхождение двух известных квазикристаллов, найденных на Земле. Оба они были частью метеорита «Хатырка», найденного в Корякском нагорье. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, кратко об этом сообщает пресс-релиз института.

Главное свойство кристаллов — периодичность и связанная с ней симметрия. Если представить себе бесконечно большой кристалл (любой макроскопический кристалл в масштабах атомов можно считать почти бесконечным), то в нем будет бесконечно большое количество плоскостей и осей симметрии. Однако требование бесконечной периодичности ограничивает набор возможных осей симметрии. Так, в «настоящих» кристаллах могут присутствовать лишь оси второго, третьего, четвертого и шестого порядка — это означает, что кристалл может совпасть с собой при вращении вокруг этой оси два, три, четыре или шесть раз. 

Ограничение на порядок оси связано с тем, что плоскость (в простейшем случае) нельзя замостить одинаковыми пятиугольными плитками. До 1984 года «запрещенные» симметрии в кристаллических материалах не были описаны и считались невозможными. Это убеждение было разрушено Даном Шехтманом, когда он обнаружил в алюминиевом сплаве икосаэдрическую фазу с осью симметрии пятого порядка. Кристаллическая структура нового класса материалов обладала нарушенной периодичностью, поэтому он получил название квазипериодических кристаллов или квазикристаллов. Примером таких структур выступают мозайки Пенроуза.  В 2011 году химик получил за открытие Нобелевскую премию.

Для синтеза квазикристаллов требуются точно выверенные условия — температурные режимы и скорость охлаждения сплавов. Таким образом, найти эти материалы можно было лишь в лабораториях. В природе квазикристаллы были обнаружены дважды — в начале 2000-х и в 2015 году.  В обоих случаях речь шла о включениях в метеорите «Хатырка». Каким образом квазикристаллы могли сформироваться в небесном теле было неизвестно, однако ученые отмечали, что еще до попадания на Землю метеорит пережил некое столкновение. 

В новой работе геохимики сымитировали условия столкновения между небесными телами в лабораторном эксперименте. Ученые поместили в стальную шайбу стопку срезов: оливина, часто присутствующего в метеоритах, сплава меди и алюминия, обнаруженного в метеорите «Хатырка» и фрагмента метеорита Canyon Diablo. Шайба использовалась в качестве мишени в которую на скорости 0,9 километра в секунду врезался танталовый снаряд. В образце возникали давления вплоть до 200 тысяч атмосфер, вещества сжимались, нагревались, после чего давление исчезало и происходило постепенное охлаждение.

Ученые разрезали шайбу и исследовали ее с помощью микроскопических и рентгеновских методов. Химикам удалось обнаружить в ней области икосаэдрической фазы — квазикристаллов. Находка подтверждает гипотезу о связи между столкновением, произошедшим с метеоритом «Хатырка» и находкой «неправильных» кристаллов в нем. 

Химики отмечают, что неясной остается природа сплава алюминия и меди, обнаруженного в «Хатырке». Кроме того, непонятно, на каком этапе столкновения (как искусственного, так и космического) возникает квазикристаллическая фаза.

Ранее японские физики впервые увидели напрямую рост квазикристаллов. Этот процесс интересен тем, что хотя периодичность слоев в таких материалах нарушена, она все равно подчиняется определенной закономерности, называемой решеткой Фибоначчи. В такой решетке геометрия следующего слоя определяется не только тем, какую геометрию имел последний слой, но и все предыдущие.

Владимир Королёв