ΟΙΟΝΕΙ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΣ

Γεωργία Βαγενά

ΟΙΟΝΕΙ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΣ
Ο όλμιο-μαγνήσιο-ψευδάργυρος ( Ηο-Mg-Ζη ) ημικρύσταλλος είναι ενας ημικρύσταλλος κατασκευασμένος από ένα κράμα των τριών μετάλλων όλμιο , μαγνήσιο και ψευδάργυρο που έχει το σχήμα ενός κανονικου δωδεκάεδρου , ένα πλατωνικό στερεό με 12 πενταεδρες πλευρες . [1] [2] Σε αντίθεση με το παρόμοιο σχήμα πυριτόεδρου ορισμένων κρυστάλλων κυβικού συστήματος όπως ο πυρίτης , αυτός ο οιονεί κρύσταλλος έχει όψεις που είναι αληθινά κανονικά πεντάγωνα .

Ο κρύσταλλος είναι μέρος της οικογένειας κρυστάλλων R – Mg – Zn, όπου R = Y , Gd , Tb , Dy , Ho ή Er . Ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά το 1994. [3] Αυτά σχηματίζουν οιονεί κρυστάλλους στη στοιχειομετρία γύρω από το R

9Mg

34Zn

57Το [2] Μαγνητικά, σχηματίζουν ένα γυαλί περιστροφής σε κρυογονικές θερμοκρασίες.

https://www.scientia.global/dr-zbigniew-stadnik.../

Dr Zbigniew Stadnik – Quasicrystals: Exploring a Exotic New Family of Materials14 Δεκεμβρίου 2021 | Φυσική επιστήμη

Οι οιονεί κρύσταλλοι είναι από τις νεότερες και πιο συναρπαστικές ανακαλύψεις στον ευρύτερο τομέα της φυσικής των υλικών – αλλά μέχρι σήμερα, πολλές πτυχές των εξωτικών φυσικών τους ιδιοτήτων παραμένουν εντελώς ανεξερεύνητες. Αμέσως μετά την αρχική τους ανακάλυψη, ο Δρ Zbigniew Stadnik στο Πανεπιστήμιο της Οττάβα έχει συμβάλει σημαντικά στην κατανόησή μας για τους οιονεί κρυστάλλους, συμπεριλαμβανομένων των μαγνητικών και ηλεκτρονικών χαρακτηριστικών τους. Βασιζόμενος στην εμπειρία δεκαετιών του στον τομέα, ελπίζει τώρα να αποκτήσει πλήρη κατανόηση των θεμελιωδών ιδιοτήτων αυτών των υλικών – δυνητικά ανοίγοντας ένα ευρύ νέο φάσμα εφαρμογών στον πραγματικό κόσμο.

Οιονεί κρύσταλλοι

Στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, οι ερευνητές κάνουν συνεχώς ανακαλύψεις που αμφισβητούν τη συμβατική μας κατανόηση για το πώς συμπεριφέρονται τα υλικά και τους μοριακούς μηχανισμούς που είναι υπεύθυνοι για τα μοναδικά χαρακτηριστικά τους. Το 1984, μια ιδιαίτερα συναρπαστική νέα οικογένεια υλικών εμφανίστηκε. Ονομάζονται «οιονεί κρύσταλλοι», αυτά τα υλικά έχουν κρυσταλλικές δομές που μπορούν εύκολα να οριστούν μαθηματικά – αλλά παρόλα αυτά διαφέρουν δραστικά από εκείνες των κανονικών κρυστάλλων.

Μέσα στα κρυσταλλικά πλέγματα πολλών στερεών, μπορούν να βρεθούν ατομικές διατάξεις που επαναλαμβάνονται αξιόπιστα σε τοπικές κλίμακες. Αυτό σημαίνει ότι εάν το πλέγμα μετακινηθεί κατά μήκος μιας ευθείας γραμμής προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, τελικά θα εμφανιστεί πανομοιότυπο με την αρχική του κατάσταση – μια ιδιότητα που οι μαθηματικοί αποκαλούν «μεταφραστική συμμετρία». Αντίθετα, οι οιονεί κρύσταλλοι δεν διαθέτουν μεταγραφική συμμετρία. Αντίθετα, η επανάληψη εμφανίζεται μέσω της «περιστροφικής» συμμετρίας τους, η οποία μπορεί να φανεί όταν οι δομές περιστρέφονται γύρω από ορισμένα σημεία.

Αυτή η γεωμετρία οπτικοποιήθηκε περίφημα από τον Άγγλο μαθηματικό Roger Penrose, ο οποίος έδειξε πώς τα 2D πλακίδια σε δύο μόνο συγκεκριμένα σχήματα μπορούν να ταιριάζουν τέλεια μεταξύ τους, σε ρυθμίσεις που εκτείνονται μέχρι το άπειρο. Στο μοτίβο του Penrose, οποιοδήποτε πεπερασμένο κομμάτι πλακιδίων δεν επαναλαμβάνεται ποτέ. Παρόλα αυτά, εμφανίζει μια πενταπλάσια περιστροφική συμμετρία, που σημαίνει ότι το ίδιο άπειρο μοτίβο θα εμφανιστεί πέντε ξεχωριστές φορές όταν περιστραφεί πλήρως γύρω από ένα μόνο σημείο.

Στους οιονεί κρυστάλλους, αυτά τα σχέδια εμφανίζονται σε μελέτες περίθλασης ακτίνων Χ, όπου οι ακτίνες Χ διασκορπίζονται από λεπτά τμήματα των κρυστάλλων καθώς περνούν. Χρησιμοποιώντας περίθλαση ακτίνων Χ, οι φυσικοί έχουν δείξει ότι ανάλογα με τη χημική τους σύνθεση, οι οιονεί κρύσταλλοι μπορούν να εμφανίσουν μια φαινομενικά ατελείωτη ποικιλία από μη επαναλαμβανόμενες κρυσταλλικές δομές. Με ένα τόσο πλούσιο πεδίο για μελλοντική έρευνα, υπάρχουν ακόμη πολλά για τους φυσικούς να μάθουν για τα φυσικά χαρακτηριστικά αυτών των εξωτικών υλικών.

Αποκάλυψη μυθιστορηματικών ιδιοτήτων

Παρά το τεράστιο ενδιαφέρον τους για τους φυσικούς και τους μαθηματικούς, οι οιονεί κρύσταλλοι δεν μπορούν απλώς να μελετηθούν από περιέργεια για τις κρυσταλλικές τους δομές. Ένα σημαντικό μέρος της έρευνάς τους είναι να καθορίσουν εάν έχουν ενδιαφέρουσες φυσικές ιδιότητες που διαφέρουν ευρέως από αυτές των κανονικών κρυστάλλων - και εάν ναι, εάν αυτές οι ιδιότητες μπορούν να αξιοποιηθούν εύκολα σε νέες τεχνολογικές εφαρμογές.

Ήδη, οι τρόποι με τους οποίους οι οιονεί κρύσταλλοι μεταφέρουν ηλεκτρικά ρεύματα και δημιουργούν μαγνητικά πεδία έχουν αποδειχθεί σε πειράματα πολύ ασυνήθιστοι. Παράλληλα με αυτές τις μελέτες, έχουν κατασκευαστεί θεωρίες συμπυκνωμένης ύλης για να διερευνηθεί πώς αυτές οι ιδιότητες θα ποικίλλουν σε διαφορετικά σενάρια – συμπεριλαμβανομένων των ακραίων θερμοκρασιών και διαφορετικών χημικών συνθέσεων.

Μέσα από μια σειρά μελετών που εκτείνονται τώρα 25 χρόνια, ο Δρ Zbigniew Stadnik του Πανεπιστημίου της Οτάβα χρησιμοποίησε τις πιο πρόσφατες πειραματικές τεχνικές για να διερευνήσει λεπτομερώς τα μυστήρια των οιονεί κρυστάλλων και να αξιολογήσει εάν οι υπάρχουσες θεωρίες μπορούν να παρέχουν μια ακριβή εικόνα του πώς συμπεριφέρονται οι οιονεί κρύσταλλοι σε ατομικές κλίμακες .

Απότομα αλλαγμένη αντίσταση

Μια ιδιαίτερα εντυπωσιακή ηλεκτρική ιδιότητα μπορεί να βρεθεί σε οιονεί κρυστάλλους που αποτελούνται από κράματα μετάλλων, των οποίων οι κρυσταλλικές δομές έχουν πενταπλάσια περιστροφική συμμετρία. Όταν ψύχονται σε λίγους μόνο βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν, αυτά τα υλικά μπορούν ξαφνικά να γίνουν εξαιρετικά ανθεκτικά στα ηλεκτρικά ρεύματα. Αυτή η «αντιστατικότητα» αυξάνεται γρήγορα καθώς η θερμοκρασία μειώνεται περαιτέρω – μια ιδιότητα που δεν υπάρχει στα μέταλλα.

Επιπλέον, αυτές οι παραλλαγές είναι εξαιρετικά ευαίσθητες στις χημικές συνθέσεις των οιονεί κρυστάλλων - με μια ακίδα στην ειδική αντίσταση που εμφανίζεται σε πολύ διαφορετικές θερμοκρασίες, ανάλογα με το ποια στοιχεία υπάρχουν στο κράμα και σε ποιες αναλογίες. Στα πρώτα πειράματά τους, ο Δρ Stadnik και οι συνεργάτες του διερεύνησαν πώς αυτή η συμπεριφορά συνδέεται με την οιονεί κρυσταλλική «πυκνότητα καταστάσεων», η οποία περιγράφει τον αριθμό των διαφορετικών καταστάσεων σε ένα συγκεκριμένο ενεργειακό επίπεδο που μπορεί να καταλάβουν τα ηλεκτρόνια μέσα σε ένα στερεό υλικό.

Για να γίνει αυτό, οι φυσικοί μέτρησαν φάσματα υπερυψηλής ευκρίνειας υπεριωδών φωτονίων, αφού απορροφήθηκαν και εκπέμπονταν εκ νέου από τους οιονεί κρυστάλλους. Μελέτησαν ένα ευρύ φάσμα μεταλλικών κραμάτων στα πειράματα - το καθένα περιείχε τρία από μια ποικιλία στοιχείων, όπως αλουμίνιο, χαλκό, όσμιο, σίδηρο και μαγγάνιο, και σε διάφορες αναλογίες. Τα αποτελέσματά τους τόσο επαλήθευσαν όσο και απαξίωσαν ορισμένες θεωρίες που προβλέπουν τον ρόλο της οιονεί κρυσταλλικής πυκνότητας των καταστάσεων - ρίχνοντας τελικά νέο φως στους ατομικούς μηχανισμούς που εμπλέκονται στην απώλεια τους στη μεταλλική συμπεριφορά.

Ανιχνεύοντας κρυσταλλικές δομές και μαγνητισμό

Μετά από αυτήν την εργασία, η ομάδα του Δρ Stadnik έστρεψε στη συνέχεια την προσοχή της στη μέτρηση της «μαγνητικής επιδεκτικότητας» των οιονεί κρυστάλλων. Η μαγνητική επιδεκτικότητα περιγράφει τον βαθμό στον οποίο ένα υλικό θα μαγνητιστεί, όταν εκτεθεί σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Για να γίνει αυτό, μέτρησαν τη διάθλαση των ακτίνων Χ καθώς περνούσαν μέσα από τους κρυστάλλους - επιτρέποντάς τους να προσδιορίσουν με ακρίβεια τις γεωμετρικές διατάξεις των μορίων τους.

Επιπλέον, οι ερευνητές αξιολόγησαν τα «φάσματα Mössbauer» των υλικών, τα οποία μετρούν την εκπομπή και την απορρόφηση της ακτινοβολίας γάμμα από τους ατομικούς πυρήνες που είναι δεσμευμένοι στα στερεά και είναι εξαιρετικά ευαίσθητα σε ακόμη και μικρές αλλαγές στα χημικά περιβάλλοντα των πυρήνων. Μέσω των πειραμάτων τους, ο Δρ Stadnik και οι συνεργάτες του ερεύνησαν κράματα μετάλλων που είχαν προβλεφθεί ότι είχαν ιδιαίτερα ενδιαφέρουσες μαγνητικές ιδιότητες, σύμφωνα με προηγούμενες θεωρίες.

Και πάλι, οι φυσικοί ερεύνησαν μια μεγάλη ποικιλία οιονεί κρυστάλλων από κράμα μετάλλων σε αυτές τις μελέτες. Σε μία από τις ενώσεις που ανέλυσαν, τα στοιχεία που αποτελούν τον οιονεί κρύσταλλο με πενταπλάσια περιστροφική συμμετρία αντικαταστάθηκαν με συμβατά εναλλακτικά στοιχεία – τα οποία η ομάδα περίμενε ότι θα άλλαζαν περαιτέρω τα μοναδικά φυσικά χαρακτηριστικά του. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασίες που κυμαίνονταν από κοντά στο απόλυτο μηδέν, έως τη θερμοκρασία δωματίου.

Παγωμένο εκτός ευθυγράμμισης

Πάνω από ορισμένες θερμοκρασίες, η ομάδα του Δρ Stadnik προσδιόρισε ότι οι οιονεί κρύσταλλοι συμπεριφέρονταν ως «παραμαγνήτες», οι οποίοι έλκονται ασθενώς από εξωτερικά εφαρμοζόμενα μαγνητικά πεδία. Ωστόσο, όταν ψύχονται κάτω από αυτές τις θερμοκρασίες, τα υλικά μετατρέπονται σε «γυαλιά περιστροφής» – ένας όρος που σχετίζεται με τις περιστροφές των κβαντικών σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένων των μεμονωμένων ατόμων, τα οποία το καθένα δείχνει προς μία μόνο κατεύθυνση.

Όταν μαγνητιστούν, οι περιστροφές όλων των συστατικών ατόμων ενός υλικού θα ευθυγραμμιστούν κατά μήκος μιας ενιαίας κατεύθυνσης. Στα περιστρεφόμενα ποτήρια, ωστόσο, αυτές οι περιστροφές θα «παγώσουν» ενώ δείχνουν προς διαφορετικές, τυχαίες κατευθύνσεις, όταν ψύχονται κάτω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Στους οιονεί κρυστάλλους που ανέλυσαν, ο Δρ Stadnik και οι συνεργάτες του παρατήρησαν ότι οι κατευθύνσεις αυτών των περιστροφών κυμαίνονταν καθώς τα υλικά ψύχονταν, πριν παγώσουν σε μια σταθερή τελική διάταξη.

Συνολικά, αυτές οι ανακαλύψεις ρίχνουν νέο φως στα μαγνητικά πεδία μεγάλης εμβέλειας που δημιουργούνται από οιονεί κρυστάλλους και τις θεμελιώδεις διαφορές τους με εκείνα που παράγονται από τους συμβατικούς κρυστάλλους. Παράλληλα με τις μελέτες μαγνήτισης, η ομάδα του Δρ Stadnik χρησιμοποίησε επίσης φάσματα Mössbauer και περίθλαση ακτίνων Χ για να διερευνήσει τις κρυσταλλικές δομές των οιονεί κρυστάλλων με περισσότερες λεπτομέρειες. Από τα αποτελέσματά τους, μπόρεσαν να προσδιορίσουν πώς τα άτομα συγκεκριμένων στοιχείων σε κράματα οιονεί κρυστάλλων μετάλλων συγκεντρώνονται σε ειδικές θέσεις, το καθένα με τις δικές του ξεχωριστές γεωμετρίες και ατομικές συνθέσεις.

Σύνθεση Νέων Δομών

Οι μέχρι τώρα ανακαλύψεις του Δρ Stadnik έχουν δώσει πολλές σημαντικές γνώσεις για τις ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες των οιονεί κρυστάλλων, τους μοριακούς μηχανισμούς που τους δημιουργούν και τους τρόπους με τους οποίους αυτά τα χαρακτηριστικά μπορούν να διαφέρουν από αυτά των κανονικών κρυστάλλων. Αλλά αυτές οι πειραματικές ανακαλύψεις είναι μόνο η αρχή. Μέσω της μελλοντικής τους έρευνας, ο Δρ Stadnik και οι συνεργάτες του στοχεύουν τώρα να ανακαλύψουν περαιτέρω νέες ιδιότητες συνθέτοντας πολλές νέες οικογένειες οιονεί κρυστάλλων.

Οι φυσικοί θα διεξαγάγουν επίσης περαιτέρω έρευνα για τις ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες των οιονεί κρυστάλλων, χρησιμοποιώντας ένα ευρύ φάσμα πειραματικών τεχνικών αιχμής. Τελικά, ελπίζουν ότι αυτή η γραμμή έρευνας θα οδηγήσει κάποτε σε μια πλήρη κατανόηση των θεμελιωδών ιδιοτήτων των οιονεί κρυστάλλων. Σαφώς, αυτό θα έχει τεράστιο όφελος για το ευρύτερο πεδίο της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης και ο Δρ Stadnik ελπίζει ότι θα επιτρέψει στους ειδικούς του τομέα να βρουν απασχόληση σε κορυφαίους κλάδους και ακαδημαϊκά ιδρύματα.

Εφαρμογές στον πραγματικό κόσμο

Αλλού, οι νέες πρόοδοι στην κατανόησή μας για τους οιονεί κρυστάλλους, σε συνδυασμό με την ικανότητα να σχεδιάζουμε ειδικά επιθυμητές φυσικές ιδιότητες, θα μπορούσαν να έχουν σημαντικές επιπτώσεις στη χρήση τους στη βιομηχανία, ακόμη και στην καθημερινή μας ζωή. Ήδη, οι οιονεί κρύσταλλοι έχουν διερευνηθεί ευρέως για τις πολλά υποσχόμενες δυνατότητές τους σε μια ποικιλία πραγματικών εφαρμογών – συμπεριλαμβανομένων των προστατευτικών επιστρώσεων που αντέχουν καλύτερα τις εξωτερικές μηχανικές δυνάμεις και μονώνουν έναντι της θερμότητας ενώ δεν καταλαμβάνουν σχεδόν καθόλου χώρο.

Με την ενσωμάτωση μικρών σωματιδίων οιονεί κρυστάλλων σε εξειδικευμένα πλαστικά, οι ερευνητές ελπίζουν επίσης να σχεδιάσουν ανθεκτικά εξαρτήματα μηχανής, όπως γρανάζια, καθώς και ανθεκτικά προσθετικά που μπορούν να ενσωματωθούν με ασφάλεια στο ανθρώπινο σώμα. Ακόμη περαιτέρω, οι οιονεί κρύσταλλοι μελετώνται για την ικανότητά τους να απορροφούν επιλεκτικά ορισμένα μήκη κύματος ηλιακής ακτινοβολίας, επιτρέποντας την πιο αποτελεσματική μετατροπή από το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια.

Ο Δρ Stadnik και οι συνεργάτες του ελπίζουν τώρα ότι μέσω των εστιασμένων προσπαθειών τους να δημιουργήσουν ακόμη πιο εξωτικές δομές και φυσικές ιδιότητες, αυτές οι εφαρμογές θα μπορούσαν σύντομα να επεκταθούν περαιτέρω. Έχοντας πλήρη γνώση της έκτασης των φυσικών τους δυνατοτήτων, η επιρροή τους μπορεί μια μέρα να επεκταθεί σε τομείς που οι φυσικοί δεν έχουν καν σκεφτεί ακόμη.

ΠΗΓΗ: www.scientia.global/dr-zbigniew-stadnik-quasicrystals-exploring-an-exotic-new-family-of-materials/?fbclid=IwAR355giBeWLaCOXsen6PHrxfaVKctYX9_FFuXAJnqNAVunUH3hAgO6_37jI