Natuurkundigen vonden een zeer zeldzaam quasi-kristal in een stuk van een meteoriet die in Rusland viel. De vondst is zo zeldzaam dat dit pas de derde keer is dat dergelijk materiaal door natuurwetenschappers is aangetroffen. Het unieke van dergelijke kristallen is echter niet alleen te wijten aan hun zeldzaamheid. Het feit is dat ze zo'n eigenaardige symmetrische structuur hebben dat de wetenschap hun bestaan decennia lang als 'onmogelijk' beschouwde.
Het nieuwe quasi-kristal werd ontdekt door een team van geologen onder leiding van Luca Bindi van de Universiteit van Florence (Italië). Wetenschappers onderzochten vijf jaar geleden een stuk van een meteoriet dat viel in het Russische dorp Khatyrka in de Anadyr-regio van de Chukotka Autonome Okrug van Rusland en vonden er een quasi-kristal van slechts enkele micrometers in groot.
Opgemerkt moet worden dat dit al het derde quasi-kristal is dat in dezelfde meteoriet werd ontdekt, wat erop kan wijzen dat er misschien nog vreemdere structuren zijn.
“Het goede nieuws is dat we al drie verschillende soorten quasi-kristallen in dezelfde meteoriet hebben gevonden. De laatste heeft een unieke chemische structuur die nog nooit eerder in quasi-kristallen is gezien”, zegt Paul Steinhardt van Princeton University, een van de wetenschappers die bij het onderzoek betrokken was.
"Dit suggereert dat andere soorten quasi-kristallen zich, net als in de natuur, in een meteoriet kunnen verbergen."
De quasi-kristallen zelf hebben een unieke structuur die wordt gekenmerkt door symmetrie die verboden is door klassieke kristallografie en de aanwezigheid van orde op lange afstand. Met andere woorden, de symmetrie van quasi-kristallen is aanwezig op alle schalen, tot atomair, en demonstreert daarmee een nieuwe structurele organisatie van materie.
Veel voorkomende kristallen die in dezelfde sneeuwvlokken, diamanten en tafelzout worden aangetroffen, zijn samengesteld uit atomen die een bijna perfecte symmetrie vormen. Polykristallen, die worden aangetroffen in de meeste metalen, gesteenten, ijs en amorfe vaste stoffen zoals glas, was en de meeste kunststoffen, hebben de neiging om chaotischer en wanordelijker te zijn.
De aanwezigheid in de natuur van een ander type atomaire structuur - een vreemde, semi-geordende vorm van materie waarin de getoonde atomaire structuur puntsymmetrie heeft - werd in 1982 bewezen door de Israëlische natuurkundige Dan Shechtman.
Promotie video:
Toen Shekhtman een quasi-kristal ontdekte in een monster van een aluminiumlegering dat hij in het laboratorium had gemaakt, geloofde de wetenschapper aanvankelijk zijn ogen niet en zei hij tegen zichzelf: "Dit kan niet zijn." De wetenschapper deed zijn ontdekking in 1982. In de daaropvolgende decennia probeerde hij tweemaal de resultaten van zijn werk in wetenschappelijke tijdschriften te publiceren, maar dat werd hem geweigerd. Collega's lachten de wetenschapper letterlijk uit, zonder zijn ontdekking te geloven. Uiteindelijk werd het artikel van Shekhtman in een zeer verkorte vorm gepubliceerd en samen met andere vooraanstaande wetenschappers geschreven. De reden voor het wantrouwen was natuurlijk dat quasi-kristallen gedurende meer dan 200 jaar als iets buitengewoons werden beschouwd. Hun veronderstelde unieke symmetrie werd beschouwd als buiten de traditionele regels van kristallografie. Toch won Shechtman voor zijn werk de Nobelprijs voor scheikunde in 2011.
Het is interessant om op te merken dat natuurkundigen al lang voor hun officiële ontdekking quasi-kristallen ontmoetten. Wetenschappers hebben ze ten onrechte geïdentificeerd als kubische kristallen met een grote roosterconstante (de grootte van een kristaleenheidscel). De eenheidscel kan in de regel worden weergegeven door verschillende vormen, bijvoorbeeld rechthoekig, kubisch, driehoekig of zeshoekig, maar quasi-kristallen hebben een structuur van aperiodieke orde - ze hebben vijf symmetrische zijden, die vijfhoeken vormen, die op hun beurt icosaëdrische symmetrie creëren.
Patricia Thiel, een senior onderzoeker bij het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy, geeft het volgende voorbeeld:
'Stel dat u uw vloer wilt bedekken met mozaïektegels. De tegel heeft perfect rechte lijnen. Het kan rechthoekig, driehoekig, vierkant of zeshoekig zijn. Al deze vormen kunnen bij elkaar worden opgeteld. Alle andere eenvoudige vormen kunnen niet worden gevouwen, omdat er gaten en spaties blijven. Quasicrystals zijn als vijfhoekige tegels. Ze kunnen niet als driehoeken en vierkanten met elkaar worden verbonden. In een dergelijke structuur worden de gaten echter opgevuld met atomen van andere stoffen, wat bijvoorbeeld resulteert in deze vormen :
En hier is een afbeelding van de structuur van een nieuw ontdekt quasi-kristal met symmetrie van de vijfde orde:
Ondanks het feit dat quasi-kristallen in de natuur zeer zeldzaam zijn (althans op aarde), zijn ze heel gemakkelijk te maken in het laboratorium. Momenteel worden synthetische quasi-kristallen gebruikt in bijna alles, van de productie van pannen tot de productie van LED-lampen.
Toen wetenschappers de samenstelling van het nieuwe quasi-kristal bestudeerden, bevestigden ze dat het is samengesteld uit een combinatie van atomen van aluminium, koper en ijzer, gecombineerd in vijfhoekige vormen, zoals die bijvoorbeeld op voetballen worden aangetroffen. In de natuur werd voor het eerst een dergelijke samenstelling van quasi-kristallen ontdekt. De vondst staat echter n toe
NIKOLAY KHIZHNYAK
