Юный техник, 2011 № 12 - Журнал «Юный техник»

Свою награду он получил «за открытие квазикристаллов». Так сказано в пресс-релизе Нобелевского комитета. Однако обосновавшие свое решение члены этого комитета сочли необходимым пояснить, что профессор из Хайфы открыл нечто, что «потрясает основы представления о том, как устроено твердое тело».

И вот здесь, наверное, необходимы пояснения. А дело было так. В начале 1982 года Шехтман был отправлен на научную стажировку в США, в Национальное бюро стандартов. Здесь он и проводил эксперименты по изучению кристаллической решетки сплава алюминия и марганца с помощью электронного микроскопа.

Всем, наверное, известно, что любой объект в нашем мире, даже мы с вами, состоит из молекул и атомов. В твердых телах атомы расположены в строгом порядке, определяемом так называемой кристаллической решеткой. Увидеть эту решетку невооруженным глазом нельзя — уж слишком невелики атомы и расстояния между ними. И микроскоп, даже электронный, помогает слабо. А потому судят о строении решетки еще и по данным рентгено-структурного анализа.

Каждый, кто хоть однажды видел медицинские рентгеновские снимки, согласится, что понять по ним, какой орган где расположен и какой здоров, а какой болен, не каждому по силам. Анализом рентгенограмм занимаются в медицине особые специалисты.

Вид структуры кристалла под электронным микроскопом.

Микроструктура квазикристалла сплава серебра и алюминия.

Нобелевский лауреат Даниэль Шехтман.

Таким специалистом, только в области структуры сплавов, и стал Шехтман. Во время своих опытов он пропускал через образцы пучки электронов. Некоторые из электронов при этом сталкивались с атомами, изменяли траекторию своего полета (то есть, говоря иначе, осуществлялась дифракция пучка электронов), и на дисплее возникало некое изображение структуры сплава.

Исследователь заметил, что изучаемая им структура хорошо упорядочена, но в то же время и необычна.

Шехтман увидел окружности, образованные 10 яркими точками. Из теории ему было известно, что кристаллическая решетка обычно дает 2, 3, 4 или даже 6 точек, но никак уж не 10. Он повторил эксперимент и получил ту же картину. Д. Шехтман сделал запись о странном явлении в своем рабочем дневнике и тем самым точно датировал открытие — 8 апреля 1982 года. Продолжая эксперименты, Д. Шехтман вскоре получил дифракционный рисунок из 5-точечных окружностей, что тоже было против кристаллографических закономерностей.

Не поделиться своими результатами с американскими коллегами Дан Шехтман не мог. Но ему… просто не поверили. А когда исследователь написал статью о своей работе и отправил ее в редакцию научного журнала, рукопись была отвергнута примерно с той же формулировкой.

Д. Шехтман вернулся в Израиль и разослал копии рукописи своим коллегам в разных странах с просьбой проверить его эксперименты. И два года спустя двое других исследователей — Джон Кан и Жерве Гратиа — получили такую же картину. Статью Д. Шехтмана и его коллег принял к публикации журнал Physical Review Letters.

Так мир узнал о существовании квазикристаллов.

Такое название они получили потому, что их кристаллическая решетка обладает осями симметрии разных порядков: это ранее противоречило представлениям кристаллографов. В настоящее время обнаружено около сотни разновидностей квазикристаллов, имеющих точечную симметрию икосаэдра, а также десяти-, восьми- и двенадцатиугольника (см. рис.).

В настоящее время известно много видов квазикристаллов, имеющих точечную симметрию икосаэдра, а также десяти-, восьми- и двенадцатиугольника.

Со временем выяснилось, что с квазикристаллами физики сталкивались задолго до их официального открытия. «В частности, такие структуры были выявлены при изучении в 40-е годы XX века дифракции Дебая — Шерера на зернах интерметаллидов в алюминиевых сплавах, — сказано в научном отчете. — Однако в то время икосаэдрические квазикристаллы были ошибочно идентифицированы как кубические кристаллы с большой постоянной кристаллической решетки». То есть, говоря попросту, квазикристаллы были восприняты не как новый класс веществ, а как некие искажения в старых структурах.

Сейчас же официально признано, что квазикристаллы представляют собой особый вид сплавов, и свойства их уникальны. У них низкая теплопроводность, их электрическое сопротивление с ростом температуры падает, в то время как у обычных металлов растет. Со временем квазикристаллы нашли в разных материалах — металлах, жидкостях, полимерах.

Впрочем, долгое время считалось, что квазикристаллы можно создать только искусственным путем. Лишь в 2009 году естественные квазикристаллы, состоящие из атомов железа, меди и алюминия, были обнаружены в России во фрагментах пород, собранных на берегах реки Катырки в Якутии. Международная команда ученых, сделавших это открытие, назвала минерал с квазикристаллической решеткой икосаэдритом.

В наши дни икосаэдрит используют как добавку в высококачественную легированную сталь. Материалы со структурой квазикристаллов уже используются в авиационной и автомобильной промышленности. Есть предположения, что они найдут себе применение при создании космолетов, в нанотехнологии и микроэлектронной промышленности. Новые синтетические материалы с квазикристаллической конфигурацией будут, как полагают, иметь потрясающую твердость и прочность.

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

БРИТАНИЯ ВОЗНИКЛА ИЗ… АСТЕРОИДА?! Следы крупного астероида, упавшего на Землю 214 млн. лет назад, обнаружили в районе Бристоля британские ученые. Звездный странник диаметром около 5 км врезался в Землю на скорости около 16 км/с. Эпицентр места падения находился далеко, за несколько тысяч километров — где-то в Северо-Восточной Канаде. Однако пыль и обломки, поднятые в атмосферу гигантским взрывом, достигли территории, которая впоследствии стала Британскими островами. Они выпали слоем спекшихся при высокой температуре стекловидных частиц и пыли толщиной около 2 сантиметров.

В момент падения астероида на Земле существовал единый гигантский континент — Пангея. Ученые не исключают, что именно этот катаклизм положил начало тектоническим процессам, в результате которых начался раскол Пангеи, дрейф континентов, образование островов, в том числе Британских.

САМЫЕ ТОЧНЫЕ ЧАСЫ. Самые точные часы в мире находятся в Лондоне. И это вовсе не знаменитый Биг-Бен, а атомные часы, находящиеся в Национальной физической лаборатории. Титул наиточнейших часов присвоен им журналом знаменитого Международного бюро мер и весов — «Метрология». Проверка показала, что эти атомные часы способны отстать или уйти вперед на одну секунду лишь за 138 млн. лет. Ни одни существующие на сегодняшний день часы в мире не обладают подобной точностью.

РАСТЕНИЯ-ДЕТЕКТОРЫ. Еще М.В. Ломоносов обратил внимание, что «травки, над рудными жилами растущие», меняют цвет своей листвы. А стало быть, растения можно использовать в качестве детекторов для выявления определенных руд или иных химических соединений.

Уже в наши дни подобные свойства некоторых растений стали использовать для выявления, например, мин, зарытых на каком-то поле. По весне данное поле засевают с воздуха семенами определенной травы и ждут, когда она прорастет. Те растения, которые оказываются поблизости от мин, меняют свой цвет, намного облегчая работу саперам.

Наконец, исследователи из Колорадского университета намерены использовать растения в роли детективов, выслеживающих террористов. Они отобрали целый ряд растений, листва которых меняет свой цвет (например, белеет), как только в воздухе обнаруживаются молекулы некоторых соединений.

Ученые, модифицируя ДНК, сделали так, что эти растение (названия не сообщаются) стали считать угрозой для себя взрывчатые вещества. Они обнаруживают взрывчатку по едва уловимым примесям в воздухе, ведь запах опасных химических соединений так или иначе всегда просачивается в атмосферу. И растение тут же сигнализируют об опасности.

Предполагается, что растения-детекторы в горшках будут располагать в залах ожидания на вокзалах, в аэропортах, супермаркетах, музеях, словом, там, где есть опасность теракта.

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ

Возрождение парашюта

На МАКС-2011 среди множества прочих экспонатов были продемонстрированы и новые изделия НИИ парашютостроения. А на состоявшей там же, в Жуковском, пресс-конференции много интересного рассказали сотрудники института во главе с генеральным директором ФГУП НИИ парашютостроения Виктором Лялиным.