Zvětšit obrázek

Simulace kvazikrystalu. Kredit: Michael Engel.

Když nějaký materiál nemá periodicky uspořádané atomy či molekuly jako u klasických krystalů, ani náhodně smíchané jako u amorfních látek, tak je to nejspíš kvazikrystal. Mají pozoruhodnou povahu, jako když ve víru temného chaosu nesměle povstává řád. V jejich struktuře lze nalézt určité uspořádané prvky, například rotační symetrie.

Zvětšit obrázek

Sharon Glotzerová. Kredit: Sharon Glotzer Lab.

Kvazikrystaly objevil v roce 1982 izraelský fyzik Dan Šechtman, který za to před pár lety dostal Nobelovu cenu za chemii. Dnes jich známe celou řadu a mnohé z nich jsou kovovými slitinami poměrně jednoduchého složení, například Al-Mn, Al-Cu-Fe, Ti2-Mn nebo Al4-Fe. Svého času vyvolávaly velká očekávání, nadšení materiálových vědců z kvazikrystalů teď ale poněkud opadlo. Prozatím jsme pro ně nenašli žádné převratné uplatnění. To ale neznamená, že by jejich napínavě komplikovaná struktura přestala vábit zvědavé vědce.

V ikosaedrických (čili dvacetistěnných) kvazikrystalech se shlédli Sharon Glotzer a její kolegové, kteří nedávno uskutečnili počítačovou simulaci doposud nejkomplikovanější krystalické struktury – jednosložkového ikosaedrického kvazikrystalu. Popularizátoři Michiganské univerzity v této souvislosti nabízejí roztomilý návod, jak neobvyklé sousloví přečíst: „eye-KO-suh-HE-druhl QUAZ-eye-cris-tahl“.

Zvětšit obrázek

Ze simulací kvazikrystalu vykukují zlaté řezy. Kredit: Michael Engel.

Ikosaedrální symetrii obvykle nacházíme v relativně jednoduchých strukturách omotaných kolem jednoho bodu. Příkladem mohou být některé obaly (kapsidy) virů anebo buckybally ze 60 atomů uhlíku. V tradičních krystalech ale nefunguje. Podle první autora studie týmu Glotzerové v časopisu Nature Materials Michaela Engela je to jako chtít vydláždit koupelnu pětiúhelníky. Řešením problému s vyplněním prostoru ikosaedrickou symetrií jsou právě ikosaedrické kvazikrystaly, které se svojí strukturou rezignovaly na periodicitu. Výsledkem je pak velice komplikovaná záležitost.

Zvětšit obrázek

Ikosaedrický kvazikrystal Al-Pd-Mn. Kredit: J.W. Evans, The Ames Laboratory.

Ikosaedrické kvazikrystaly obsahují fotonické zakázané pásmo, zamezující průchodu fotonů určitých vlnových délek, což jim přece jenom dává jisté přísliby do budoucna. Když je vytvoříme z nanočástic a mikrometrových částic, tak by podle Glotzerové mohly být velice užitečné v mnoha různých aplikacích, od komunikačních technologií a displejů po technologie kamufláže. Zatím to je ale jen velmi spekulativní.

Glotzerová a spol. simulovali vznik a uspořádání kvazikrystalu založeného na jediné strukturní částici. Obvykle to bývají dvě nebo tři částice. I když byla výsledná struktura očividně velmi uspořádaná, v ní obsažené částice interagovaly velmi lokálně – maximálně do vzdálenosti tří dalších částic. V těchto interakcích se podle studie projevuje legendární pravidlo zlatého řezu. Glotzerová si libuje, že jejich modelovaný kvazikrystal krásně předvádí, jak může nesmírně komplikovaná struktura vzniknout z velice jednoduchých pravidel.

Video: Transforming Nanoscience: Sharon Glotzer. Kredit: TEDx Talks.

Video:  Quasicrystals ; Prof. Daniel Shechtman ; Nobel Prize in Chemistry. Kredit: American Technion Society.

Literatura

University of Michigan 23. 12. 2014, Nature Materials 14: 109–116, Wikipedia (Quasicrystal, Golden ratio).