Исследование Мичиганского университета показало, что необычное промежуточное вещество между кристаллом и стеклом представляет собой самую устойчивую форму организации атомов для некоторых сочетаний элементов. Новое открытие основано на первой серии квантовомеханического моделирования квазикристаллов — твердых веществ, существование которых долгое время считалось невозможным, пишет Phys.org.
Атомы в квазикристаллах располагаются упорядоченно, подобно обычным кристаллам, но, в отличие от последних, не образуют периодически повторяющиеся структуры. Моделирование продемонстрировало, что, несмотря на свою схожесть с хаотичными веществами вроде стекла, образующимися путем быстрого нагревания и охлаждения, квазикристаллы обладают принципиальной стабильностью, аналогичной традиционным кристаллическим веществам.
«Чтобы создавать материалы с заданными характеристиками, нам необходимо понимать принципы организации атомов в конкретные структуры. Квазикристаллы заставили нас переосмыслить, как и почему могут образовываться определенные материалы. До нашего исследования ученым было непонятно, почему они существуют», — комментирует Вэньхао Сан, доцент факультета материаловедения и инжиниринга Мичиганского университета и ведущий автор исследования.
По словам специалистов, первый этап понимания любого вещества начинается с осознания факторов, делающих его стабильным. Установить механизм стабилизации квазикристаллов оказалось непросто. Обычно атомы в материалах стремятся выстроиться в кристаллические структуры, минимизирующие химическую энергию связей. Такие формы называются энтальпийно-стабилизированными кристаллами. Тем не менее существуют материалы, формирующиеся из-за высокой энтропии — способности атомов занимать различные положения или колебаться множеством способов.
Примером энтропийно-стабилизированных твердых тел служит стекло. Оно возникает, когда расплавленный кремний резко охлаждается, застывая в случайной структуре. Если же охлаждение протекает медленнее либо добавляется щелочь, атомы успевают сформировать упорядоченный кристалл кварца — низкоэнергетическое состояние при нормальной температуре.
Квазикристаллы представляют собой нечто среднее между классическими кристаллами и стеклом. Их атомы упорядочены локально, как в кристаллах, но глобальная структура не обладает характерными повторяющимися мотивами, типичными для обычного кристалла. Чтобы пролить свет на особенности квазикристаллов, ученые используют новый подход. Метод заключается в выделении небольших наночастиц из общего массива квазикристалла, расчете полной энергии каждой частицы и последующем экстраполировании полученных результатов на весь блок. Поскольку энергия зависит от объема и площади поверхности частицы, увеличение размера частиц позволяет точнее оценить общую энергию большого образца. Применение технологии подтвердило, что два широко изучаемых квазикристалла — сплавы скандия с цинком и иттербия с кадмием — стабилизированы преимущественно за счет энтальпии.
Расчеты энергий больших наночастиц традиционно сложны, так как стандартное удвоение числа атомов увеличивает нагрузку на компьютер в восемь раз. Чтобы преодолеть это ограничение, эксперты разработали специальный алгоритм. «Традиционные алгоритмы требуют взаимодействия каждого процессора, что существенно замедляет работу. Наш алгоритм в 100 раз быстрее, поскольку взаимодействуют только соседние процессоры, и мы эффективно используем ускорение графического процессора в суперкомпьютерах», — поясняет соавтор исследования Викрам Гавини, профессор механики и материаловедения Мичиганского университета.
Таким образом, новая методика открывает широкие перспективы для изучения стекол, аморфных материалов, межфазных границ и дефектов кристаллов. Полученные о них сведения обещают привести к новым прорывам, включая создание материалов для квантовых вычислений.
Ранее мы рассказали, как грибы вдохновили ученых на создание инновационных материалов.
