В метеорите Хатырка найден новый «невозможный» икосаэдрический квазикристалл

Геологи из Флорентийского университета, Калифорнийского технологического института и Университета Принстона обнаружили в обломках метеорита «Хатырка» (обнаружен в Корякском нагорье, Россия) не описанную ранее фазу квазикристаллов. Это третья природная находка подобных материалов за всю историю поисков и первая находка, указавшая на ранее неизвестную фазу. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.

Квазикристаллы — необычная форма твердого тела, обладающая «запрещенными» видами симметрии. Обычные кристаллы состоят из периодически повторяющихся идентичных блоков, своеобразных трехмерных паркетов, заполняющих пространство. Форма блоков (фрагментов паркета) ограничена простыми соображениями: правильными треугольниками, четырехугольниками и шестиугольниками полностью замостить плоскость можно, а пятиугольниками нельзя. В квазикристаллах периодичность отсутствует, зато возникает симметрия правильного пятиугольника. Это свойство было настолько неожиданным, что долгое время после открытия квазикристаллы считали ошибкой эксперимента. Подробно о них можно прочесть в нашем материале. В 2011 году за открытие квазикристаллов Дан Шехтман получил Нобелевскую премию.

Долгое время квазикристаллы можно было найти только в лабораториях — их получали методами быстрого охлаждения сплавов (например, алюминия и марганца) и спеканием порошков при строго заданных температурных условиях. Однако в 2009 году Лука Бинди (Luca Bindi) и соавторы обнаружили в углистом хондрите «Хатырка» минерал икосаэдрит (Al₆₃Cu₂₄Fe₁₃), обладавший «запрещенной» симметрией кристаллической решетки. Позднее, в 2015 году, Лука Бинди и более крупный коллектив авторов сообщили о присутствии в том же самом метеорите декагонита (Al₇₁Ni₂₄Fe₅) — первого природного минерала с симметрией правильного десятиугольника. До обнаружения этих материалов в природе они были известны по лабораторным синтезам и хорошо описаны.

Новая работа, первым автором которой также выступает Лука Бинди, посвящена ранее не описанной квазикристаллической фазе, также обнаруженной в «Хатырке». Это сплав алюминия, меди и железа с составом Al_62.0(8)Cu_31.2(8)Fe_6.8(4), обладающий икосаэдрической симметрией. По словам авторов, такая комбинация содержания металлов выходит за границы любого известного состава для квазикристаллов системы алюминий-железо-медь. 

По словам ученых, примечательно, что в одном и том же метеорите одновременно присутствуют два различных вида квазикристаллов с одинаковым качественным, но разным количественным составом (икосаэдрит и новый сплав). Считается, что основной механизм возникновения квазикристаллов в метеорите — столкновение, которое пережило небесное тело еще до падения на Землю. Физики оценивают, что оно привело к резкому нагреву метеорита до 1200 градусов Цельсия и возникновению в нем давлений до 50 тысяч атмосфер. Подобное «ударное» рождение квазикристаллов недавно было воспроизведено в лаборатории Калтеха.

Отсутствие периодической структуры в квазикристаллах вызывает вопросы о том, как они могут расти. К примеру, в квазикристалле состава Al_70.8Ni_19.7Co_9.5 упорядочение атомов описывается решеткой Фибоначчи. В прошлом году японские физики показали, что в процессе роста квазикристаллов атомы могут сначала занимать «неправильные» позиции. Затем, со временем, происходит перестройка и такие дефекты исчезают.

Владимир Королёв