Ikke helt krystaller og ikke helt et glas, kvasikrystaller er en underhed, hvis egenskaber ikke er godt forstået – men nu ved vi, hvordan de kan forblive stabile
En gengivelse af en kvasikrystallstruktur
Kvasikrystaller er sjældne og underlige, men forskere har nu vist, at de kan være den mest stabile konfiguration for nogle atomer – og hvorfor de overhovedet kan eksistere.
I krystaller danner atomer forudsigelige gitter, der gør dem meget stabile. I glas – både den almindelige art, der udgør at drikke briller og mere eksotiske briller som Obsidian dannet i vulkaner – følger atomer ikke nogen ordre. Briller er metastable, så en ændring i deres miljø som opvarmning eller små urenheder fra et par omstrejfende atomer i det forkerte element, kan få dem til at blive en anden slags sag. I betragtning af nok tid vil alt atomisk amorf nok til at blive kategoriseret som glas til sidst også krystallisere.
Men kvasikrystaller spreder midten – deres atomer er arrangeret i mønstre, men disse mønstre gentager sig aldrig – og bare hvordan de forbliver stabile har længe været et spørgsmålstegn.
Wenhao Sun på University of Michigan og hans kolleger har nu brugt avancerede computersimuleringer til at finde svaret. De fokuserede på to kendte kvasikrystaller, den ene fremstillet af skandium og zink og den anden fra ytterbium og cadmium, og simulerede en række større og større kvasicrystall -nanopartikler. På hvert trin beregnet de kvasikrystallernes energi og sammenlignede det med energierne, som atomerne ville have i mere konventionelle krystallignende arrangementer.
Fysiklovene dikterer, at de fleste stabile genstande er lavet af atomer, hvis kollektive energi er så lav som muligt, og det er præcis, hvad forskerne fandt – den ulige kvasikrystall blev foretrukket over mere almindelige atomstrukturer, fordi den energi, der kræves for at opretholde den, var lav.
Sun siger, at dette var noget uventet, fordi sammenligningen med glas ofte fører fysikere til at intuitere, at kvasikrystaller skulle være metastable. De var tidligere vanskelige at forstå, fordi avancerede simuleringsmetoder har en tendens til at antage perfekt periodiske arrangementer af atomer, siger teammedlem Vikram Gavini ved University of Michigan. Forskerne brugte en innovativ beregningsmetode, og deres simuleringer viste, at voksende kvasikrystaller i laboratoriet ville kræve meget specifikke forhold, hvilket ikke er uventet, fordi de sjældent findes i naturen.
”Kvasikrystaller har ekstraordinære vibrationsegenskaber, der forbinder til varmeledningsevne og termoelektriske effekter. Med den nye metode kan vi muligvis studere dem,” siger Peter Brommer ved University of Warwick i Storbritannien. ”Måske vil det næste supermateriale ikke blive opdaget i et laboratorium, men på en computer.”