Cuasicristal

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Un cuasicristal (del latín  cuasi "como", "algo así") es un cuerpo sólido caracterizado por la simetría, que está prohibida en la cristalografía clásica , y la presencia de un orden de largo alcance . Junto con los cristales , tiene un patrón de difracción discreto .

El modelo matemático de los cuasicristales son los mosaicos aperiódicos .

Historia

Los cuasicristales fueron observados por primera vez por Dan Shechtman en experimentos de difracción de electrones en una aleación de Al 6 Mn enfriada rápidamente [1] realizados el 8 de abril de 1982, por los que recibió el Premio Nobel de Química en 2011 . La primera aleación cuasi-cristalina descubierta por él fue nombrada " Shechtmanite " ( ing.  Shechtmanite ) [2] . El artículo de Shekhtman no fue aceptado para su publicación dos veces y finalmente se publicó en forma abreviada en colaboración con los reconocidos especialistas I. Blech, D. Gratias y J. Kahn, atraídos por él. [3] El patrón de difracción resultante contenía picos agudos ( Bragg ) típicos de los cristales , pero al mismo tiempo, en general, tenía la simetría puntual del icosaedro , es decir, en particular, tenía un eje de simetría de quinto orden , que es imposible en una red periódica tridimensional. El experimento con difracción inicialmente permitió una explicación del fenómeno inusual por difracción en múltiples maclas cristalinas fusionadas en granos con simetría icosaédrica. Sin embargo, experimentos más sutiles pronto demostraron que la simetría de los cuasicristales está presente en todas las escalas, hasta la escala atómica , y las sustancias inusuales son, de hecho, una nueva estructura para la organización de la materia.

Más tarde resultó que los físicos encontraron cuasicristales mucho antes de su descubrimiento oficial, en particular, al estudiar los debyegramas obtenidos por el método Debye-Scherer a partir de granos de compuestos intermetálicos en aleaciones de aluminio en la década de 1940. Sin embargo, en ese momento, los cuasicristales icosaédricos se identificaron erróneamente como cristales cúbicos con una gran constante de red . Las predicciones sobre la existencia de una estructura icosaédrica en cuasicristales fueron hechas en 1981 por Kleinert y Mackie [4] .

Actualmente, se conocen cientos de tipos de cuasicristales que tienen simetría puntual del icosaedro, así como decágonos de diez, ocho y dodecágonos.

Estructura

Cuasicristales deterministas y estabilizados por entropía

Hay dos hipótesis acerca de por qué los cuasicristales son fases (meta-)estables. Según una hipótesis, la estabilidad se debe al hecho de que la energía interna de los cuasicristales es mínima en comparación con otras fases, como consecuencia, los cuasicristales deben ser estables incluso a temperatura cero absoluta. Con este enfoque, tiene sentido hablar de ciertas posiciones de los átomos en una estructura cuasicristalina ideal, es decir, estamos tratando con un cuasicristal determinista. Otra hipótesis sugiere que la entropía contribuye decisivamente a la estabilidad. Los cuasicristales estabilizados por entropía son fundamentalmente inestables a bajas temperaturas. Ahora bien, no hay razón para creer que los cuasicristales reales se estabilizan únicamente debido a la entropía.

Descripción multidimensional

Una descripción determinista de la estructura de los cuasicristales requiere especificar la posición de cada átomo, y el modelo correspondiente de la estructura debe reproducir el patrón de difracción observado experimentalmente. La forma generalmente aceptada de describir tales estructuras utiliza el hecho de que la simetría puntual, que está prohibida para una red cristalina en un espacio tridimensional , puede permitirse en un espacio de mayor dimensión D. De acuerdo con tales modelos estructurales, los átomos en un cuasicristal son ubicado en las intersecciones de algún subespacio tridimensional (simétrico) RD (llamado subespacio físico) con variedades periódicas con límite de dimensión D-3 transversal al subespacio físico.

Reglas de montaje

La descripción multidimensional no responde a la pregunta de cómo las interacciones interatómicas locales pueden estabilizar un cuasicristal. Los cuasicristales tienen una estructura que es paradójica desde el punto de vista de la cristalografía clásica y se predice a partir de consideraciones teóricas ( teselaciones de Penrose ). La teoría de las teselaciones de Penrose permitió alejarse de las ideas habituales sobre los grupos cristalográficos de Fedorov (basados ​​en rellenos periódicos del espacio).

Metalurgia

La obtención de cuasicristales se ve obstaculizada por el hecho de que todos ellos son metaestables o se forman a partir de una masa fundida cuya composición difiere de la composición de la fase sólida ( incongruencia ).

Cuasicristales naturales

Rocas con cuasi-cristales naturales de Fe-Cu-Al fueron encontradas en las tierras altas de Koryak en 1979. Sin embargo, solo en 2009, los científicos de Princeton establecieron este hecho. En 2011 publicaron un artículo [5] , en el que decían que este cuasicristal (icosaedrita) es de origen extraterrestre [6] . En el verano del mismo 2011, durante una expedición a Rusia, los mineralogistas encontraron nuevas muestras de cuasi-cristales naturales. [7]

Propiedades

Notas

  1. ↑ Científico israelí gana el Premio Nobel de Química . Consultado el 30 de septiembre de 2017. Archivado desde el original el 1 de julio de 2017.
  2. ↑ La forma imposible de la materia se destaca en el estudio de los sólidos . Consultado el 30 de septiembre de 2017. Archivado desde el original el 1 de diciembre de 2017.
  3. ↑ Fase metálica con orden orientacional de largo alcance y sin simetría traslacional. " Cartas de revisión física ", vol. 53, 1984, pág. 1951-1954
  4. ↑ Kleinert H., Maki K. Texturas de celosía en cristales líquidos colestericos (neopr.)  // Fortschritte der Physik. - 1981. - T. 29 . - S. 219-259. .  
  5. ↑ PNAS: Evidencia del origen extraterrestre de un cuasicristal natural
  6. ↑ Noticias. Es: Un mineral ruso único resultó ser extraterrestre Copia de archivo del 18 de enero de 2012 en la Wayback Machine (17 de enero de 2012)
  7. ↑ hi-news.ru: Se encontró un cuasi-cristal único en un meteorito que cayó en Rusia Archivado el 12 de diciembre de 2016 en Wayback Machine (11 de diciembre de 2016)

Literatura

Enlaces

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