Нобелевская премия по химии за 2011 год вручена Дэниелу Шечтману (Daniel Shechtman) из Technion - институт Технологии в Израиле, за его открытие квазикристаллов - материалов, которые имеют упорядоченную, но не периодическую структуру. Открытие Д. Шечтмана, которое он сделал в 1984, изучая образец алюминиевого марганца, произвело огромный аффект, замешательство и жесткую оппозицию. Журнал Прикладной Физики (
Journal of Applied Physics
), например, отклонил оригинальную статью Д. Шечтмана, на том основании, что она не заинтересует физиков, которые читают журнал. Линус Полинг (Linus Pauling) - гигант кристаллографии 20-ого столетия - также отверг данные, полученные Д. Шечтманом.
До открытия Д. Шечтмана, большинство исследователей думало, что дальний порядок в физических системах невозможен без периодичности. Атомы, как полагали, упакованы в кристаллах в симметрических структурах, которые повторяются периодически много раз - и что это повторение было обязательным для кристалла. Однако, Шечтман нашел, что атомы в его кристалле были упакованы в структуре, которая не могла быть повторена, но все же имела "10-кратную" вращательную симметрию.
Говорят, что система обладает n-кратной вращательной симметрией, если она выглядит одинаково после того, как ее повернули на 360/n градусов. Для образца Шечтмана это означает, что он не изменится, будучи повернутым на 36 градусов. До открытия Шечтмана считалось, что периодическая система должна иметь только 1-, 2-, 3-, 4- или 6-кратную вращательную симметрию, а все остальное запрещено законами кристаллографии.
Начиная с крупного достижения Д. Шечтмана, однако, были найдены сотни различных квазикристаллов, включая двадцатигранные квазикристаллы, которые имеют 2-кратную, 3-кратную и 5-кратную вращательную симметрию. Есть также восьмиугольные (8-кратный), десятиугольные (10-кратный) и додекагональные (12-кратный) квазикристаллы, которые демонстрируют "запрещенные" вращательные симметрии в двумерных атомных слоях, но при этом они является периодическими в направлении перпендикулярном к этим слоям.
В заявлении Королевской Академия Наук Швеции в связи с вручением премии говорится, что Д. Шечтман "должен был бороться в жестоким сражении против укоренившихся представлений науки", чтобы приняли его открытие, поскольку "конфигурацию, найденную в квазикристаллах считали невозможной". И в добавление, что Нобелевская премия этого года "существенно изменилась в том, что химики задумались о твердом веществе".
Порядок из беспорядка
Д. Шечтман объявил о своем спорном открытии, находясь в творческом отпуске в США в Национальном Бюро Стандартов в Вашингтоне, округ Колумбия, где он исследовал свойства смесей металлов, которые расплавляли вместе и быстро охлаждали. Оппозиция его находке была жестокой, например, Л. Полинг, заявлял, что наблюдаемая дифракционная картина вызвана пятью кристаллами, вращаемыми на 72 градуса относительно друг друга, а не вызвана только одним кристаллом с 10-кратной симметрией.
Но эти первоначальные сомнения были скоро отметены новым экспериментальным свидетельством, и статьей Шечтмана - которая была наконец опубликована в журнале
Physical Review Letters
в ноябре 1984 и с тех пор стала одной из самых цитируемых статей в научной литературе.
Действительно, квазикристаллы привели к важным открытиям в разнообразных дисциплинах таких как нанонаука и надмолекулярная химия. Фотонные "метаматериалы", основанные на квазикристаллах смогут однажды даже заменять полупроводниковые устройства, чтобы сделать полностью оптические цепи для коммуникации и информационных технологий, в то время как квазипериодические множества электронных спинов могли бы явить новые аспекты магнетизма для приложений спинтроники.
«Правильное решение»
Перед открытием Д. Шечтмана, математики хорошо знали, что некоторые функции имели свойство "почти периодичности" и математическое основание этой "аномалии" было заложено в 1933 Харальдом Бором (брат Нильса Бора). Действительно, квазипериодические функции — подмножество семейства почти-периодических функций, с самым известным квазипериодическим примером,– черепицей Пенроуза, которая была обнаружена Роджером Пенроузом из Оксфордского университета в 1974. Черепица Пенроуза не является периодической, — при сдвиге она немного не совпадает сама с собой.
Физик Ронан Макграт (Rónán McGrath) от Университета Ливерпуля в Великобритании, который изучал квазикристаллы в течение последних 12 лет, говорит, что вознаграждение Шечтмана "хорошо заслужено" и это правильное решение, даже при том, что термин "квазикристалл" был фактически придуман теоретиками Полом Стейнхардтом и Довом Левайном из Университета Штата Пенсильвания в США. "Шечтман упорно верил в свою правоту," говорит Р. Макграт. "Он сумел убедить сообщество, что он был прав все время. Правильно, что Д. Шечтману одному досталась премия."
Рэни Диль (Renee Diehl) от Университета Пенн-Стейт в США соглашается, что премия хорошо заслужена. "Д. Шечтман был очень проницателен, чтобы сообразить, что он обнаружил новую форму кристаллической материи", - говорит он. "Это открытие полностью изменило то, что мы думаем о кристаллическом веществе и даже потребовало нового определения для термина 'кристалл'."
Д. Шечтман родился в 1941 в Тель-Авиве, закончил Technion в 1966 со степенью инженера в машиностроении и затем получил доктора философии в разработке материалов в институте в 1972. После постдоктора в США в Космических Научно-исследовательских лабораториях, Штата Огайо, он возвратился к Technion в 1975, где он и работает с тех пор. Его также награждали Премией Вольфа по Физике в 1999.
Об авторе
Майкл Бэнкс (Michael Banks) — редактор новостей
Physics World
Источник: Quasicrystal discovery bags 2011 chemistry Nobel, Oct 5, 2011