준 결정 :불가능에서 노벨상을 수상한 것까지 어떻게 갔습니까?

결정은 정렬되고 정기적 인 원자의 정기적 인 배열을 갖는 물질이다. 그것들은 단위 셀로 알려진 기본 반복 구조의 조립에 의해 형성된다. Rubik 's Cube가 단결정으로, 그리고 모든 작은 사각형을 단위 셀로 상상해보십시오.

단위 셀은 3 차원으로 반복하고 크리스탈 격자로 알려진 네트워크를 발생시킨다. 이 격자는 결정의 모양 또는 형상을 결정합니다. 결정 및 크리스탈 시스템에 대한 자세한 내용은 여기를 클릭하십시오.

우리 대부분은 고체가 결정 또는 비정질 파우더라는 것을 알고 있습니다. 그래서 정적 결정은 비정질이라는 것을 의미합니까? 아니요, 그들은 아닙니다. 비정질 물질에서, 원자 또는 분자의 배열은 완전히 무작위적이고 불규칙하다.

준 결정질 물질에서, 원자 또는 분자의 배열이 정렬되고 aceriodic이다. 원자 구조는 구조 사이에 간격이 없도록 패턴으로 배열되지만 패턴은 반복되지 않습니다. 구조는 패턴 전체에 걸쳐 반복하지만 매번 완전히 다른 방향으로 반복됩니다.

발견 된 최초의 준 결정질 물질은 고형 된 알루미늄 및 망간 (10-14%) 합금이었다. 전자 회절 패턴은 재료의 Icosahedral, 5 배 회전 형상을 나타냈다. 이 금지 된 크리스탈 대칭은“불가능한”태그를 주었다.

(사진 크레디트 :CYP /Wikimedia Commons

왜 불가능한 것으로 간주 되었습니까?

당신은“금지 된 대칭”,“순서”및“정기”라는 단어가 텍스트에서 계속 나타나는 것을 알았을 것입니다. 이 단어들은 준 결정을 특별하게 만드는 것의 본질을 가지고 있기 때문입니다. 이 맥락 에서이 단어가 의미하는 바를 이해하려면 차원과 모양에주의를 기울여야합니다.

대칭의 형태를“금지”하는 것으로 시작합시다. 회전 대칭이 다른 5 개의 다른 모양의 타일을 가지고 있다고 상상해보십시오. 1) 2 배 회전 대칭이있는 사각형 (즉, 평면에서 사각형을 회전하면 모양이 동일하게 보이는 두 개의 인스턴스가 있습니다). 2) 3 배 대칭을 가진 삼각형; 3) 4 배 대칭을 가진 사각형; 4) 5 배 대칭을 가진 펜타곤; 및 5) 6 배 대칭을 가진 육각형.

우리의 임무는 이러한 모양으로 벽을 타일하는 것입니다.

(사진 크레딧 :Shutterstock &Wikimedia Commons)

우리는 모양 1, 2, 3 및 5가 타일 사이에 틈없이 쉽게 배치 될 수 있음을 알 수 있지만, 그것은 타일 4 인 펜타곤의 경우에는 그렇지 않습니다. 타일을 어떻게 회전하든 그 사이의 간격을 남기지 않고도 포장 할 수있는 방법이 없습니다. 각도는 단순히 서로 맞지 않습니다.

그렇기 때문에 결정은 틈없이 포장 할 수있는 모양이 필요하기 때문에 5 배 회전 대칭 또는 6보다 높은 숫자를 갖는 분자 또는 원자 구조가 결정의 형성에서 금지 된 것으로 간주 된 이유입니다. 준 결정은 펜로즈 타일과 유사한 순서 대로이 문제를 해결하지만 aperiodic 배열로 해결합니다.

이제 세 가지 차원 모두에서 질서, 정기 및 준 기간 (또는 aperiodic)이 의미하는 바를 이해해 보겠습니다.

치수를 통한 질서, 주기성 및 준 주변성

이 뒤에있는 수학은 정말 매력적입니다. 구조는 더 낮은 차원으로 투사 될 때 주기성을 상실합니다. 우리가 우리 모두가 스틱 인물이었던 2D 세상에 살았다면, NaCl 크리스탈의 순서와 정기 3D 구조는 aperiodic으로 간주 될 것입니다. 마찬가지로, 6d 세계 어딘가에, 준 지위 결정은 완벽하게 정렬되고 주기적으로 간주됩니다.

Icosahedral 준 결정의 전자 회절 패턴 (사진 크레디트 :Paul Steinhardt/Wikimedia Commons)

회절 패턴을 면밀히 살펴보고 이미지에 표시된 것처럼 밝은 점을 연결하려고하면 크기가 다른 3 개의 펜타곤이 있습니다. 이 펜타곤의 크기는 황금 비율 또는 피보나치 시리즈를 따릅니다. 결국 모든 것이 연결된 것 같습니다!

무엇이 다른가?

대칭 형태뿐만 아니라 결정과는 다른 많은 다른 매개 변수가 존재할 수 있습니다. 그들 중 하나는 그러한 준결정이 어떻게 자라는 지 될 수 있습니다.

결정의 자기 조립 또는 성장 중에, 원자는 전화 게임처럼 이웃과 상호 작용합니다. 하나의 원자는 본드를 어떻게 그리고 어디서 형성하는지에 대한 다음 원자에 메시지를 전달합니다. 이 템플릿 성장은 정기적 인 네트워크를 발생시킵니다.

그러나 미시간 대학교에서 Glotzer와 Engels가 운영하는 시뮬레이션에 따라 준결승의 원자도 서로 상호 작용하지만 바로 다음 부분과는 상호 작용하지 않습니다. 그들은 3 개의 원자가 그들로부터 멀리 떨어진 것과 상호 작용합니다. 그런 다음 각 입자가 중앙에서 핵 생성되어 바깥쪽으로 자라며 펜로즈 타일링과 같은 수지상 패션을 만듭니다.

준 기간 성은 매우 이국적으로 들리더라도 드물지는 않습니다. 안정적인 준 유사성 결정으로 만들어진 많은 알루미늄 및 기타 금속 합금이 있습니다. 이들 중 대부분은 합성 적으로 얻어 지지만 과학자들은 우주에서 떨어진 바위 조각에서 자연적으로 발생하는 세 개의 준결승을 발견했습니다. 러시아의 Khatyrka 운석에는 현재까지 발견 된 모든 자연 QC가 있습니다.

준결승이 중요한 이유는 무엇입니까?

준결정 (QC)은 고유 한 전자, 광학 및 기계적 특성을 갖는다. QC는 스스로 부서지기 쉽지만 강철을 강화하고 갑옷만큼 강하게 만들 수 있습니다. 스틱이없고 스크래치 저항성 특성으로 인해 Teflon 대신기구를 코팅하는 데 사용될 수도 있습니다. 그들은 마찰 계수가 낮고 초 유체의 합성에 사용될 수 있습니다 (0에서 무시할만한 속도의 유체)

QC는 위장 재료를 개선하는 데 사용될 수도 있습니다. 우리가 보는 것은 빛이 몸에서 튀는 방법에 달려 있습니다. Icosahedral 결정에서 원자의 공간적 배열은 물체의 실제 물리적 외관을 숨길 수 있도록 빛을 조작하는 데 잠재적으로 도움이 될 수 있습니다. 언젠가 우리는 Avengers 영화에서 실제로 사라지는 헬리콥터를 가질 수 있습니다!

QCS의 발견은 또한 "Crystal"이라는 용어의 의미를 재정의했습니다. 1994 년 국제 결정 학자 연합은 결정을“본질적으로 불연속 회절 패턴을 가진 고체”로 정의했다. 이 재정의는 마침내 준 지위 결정을위한 공간을 만들었다.

결론

준결정을 아름답게 만드는 것은 복잡한 미세 구조뿐만 아니라 발견 자의 순수한 장애물입니다. 수년 동안 그는 과학 공동체의 회의론을 수상했습니다. 그의 초기 논문 중 상당수는 출판지에 의해 거부되었습니다. 그의 작품이 1984 년에 마침내 출판 된 후, 그것은 과학계에 잔물결을 만들었습니다. 일부는 그의 작품을 칭찬했지만 다른 많은 사람들은 그의 발견에 대해 냉소적으로 남아있었습니다.

Linus Pauling과 같은 화학의 큰 이름조차도“Danny Shechtman은 말도 안되는 말을하고 있습니다. 준 결정도가없고 준 과학자 만 있습니다.” 바울은 그가 죽었을 때까지 QCS의 존재를 반증하려고했습니다.

그의 작품에 대한 Dan Shechtman의 믿음은 과학자들이 훨씬 더 놀랍고 불가능한 재료의 존재를 발견 할 수 있도록 새롭고 흥미로운 문을 열었습니다. 그의 발견은 또한 2011 년 노벨 화학상을 수상하게되었습니다!