شبهکریستالها - Quasicrystals
بلور شبهتناوبی یا همان شبهکریستالی، ساختاری است که طبقهبندی میشود اما دوره ای نیست. یک الگوی شبهبلوری میتواند بهطور مداوم تمام فضای موجود را پر کند، اما فاقد تقارن انتقالی است. در حالیکه کریستالها، مطابق با قضیه محدودیت کریستالوگرافی کلاسیک، میتوانند دارای دو تقارن چرخشی، سه ، چهار و شش محوری باشند، الگوی پراش Bragg از شبه بلورها قلههای تیز را با سایر دستورات تقارن، بهعنوان مثال پنج برابر نشان میدهد.

کاشیهای ناخوشایند در اوایل دهه 1960 توسط ریاضیدانان کشف شد، و حدود بیست سال بعد، پیدا شد که آنها بهمطالعه شبهبلورهای طبیعی متوسل میشوند. کشف این اشکال در طبیعت باعث تغییر پارادایم در زمینههای بلورنگاری شده است. کریستالهای شبهکریستال قبلاً مورد بررسی و تحقیق قرار گرفتند، اما تا دهه 1980، آنها به نفع نظرات غالب در مورد ساختار اتمی ماده بیتوجه بودند. در سال 2009، پس از یک جستجوی اختصاصی، یک یافته کانیشناسی، ایکوساایدریت، شواهدی از وجود بلورهای طبیعی شبه ارائه داد.
تقریباً اگر فاقد تقارن انتقالی باشد، طبقهبندی غیر دورهای است، بدین معنی که یک نسخه منتقل شده هرگز دقیقاً با اصل آن مطابقت نخواهد داشت. تعریف دقیقتر ریاضی این است که هیچگاه تقارن انتقالی در بیش از n - 1 جهت مستقلِ خطی وجود ندارد، جاییکه n تمام ابعاد فضا را پر میکند، به عنوان مثال، کاشیکاری سهبعدی که در یک شبه کریستالی نمایش داده میشود، ممکن است تقارن انتقالی را از دو جهت داشته باشد. در سال 1982 دانشمند علم مواد دن شچمن مشاهده كرد كه آلیاژهای خاص منگنز آلومینیوم پراكتورهای غیرمعمول تولید میكنند كه امروزه بهعنوان الهمام کننده ساختارهای شبهكریستالی دیده میشوند. بهدلیل ترس از واکنش جامعه علمی، او دو سال طول کشید تا نتایج را منتشر کند که برای او در سال 2011 جایزه نوبل کیمیا تعلق گرفت.
تاریخچه
در سال 1961، هائو وانگ این سوال را مطرح نمود که آیا مجموعهای از کاشیها باعث کاشیکاری یک سطح تراز میشوند، یک مشکل الگوریتمی غیرقابل حل است یا خیر. وی با تکیه بر این فرضیه که هر مجموعه کاشی که بتواند سطح تخت را کاشیکاری کند، می تواند بهصورت دورهای انجام دهد، حدس زد که قابل حل است. با این وجود، دو سال بعد، دانشآموز او رابرت برگر مجموعهای از حدود 20000 کاشی مربع (که اکنون به آن کاشی های Wang گفته میشود) ساخت که میتواند یک صفحه تخت را کاشی کند، اما نه بهصورت دوره ای. همزمان با کشف مجموعههای بیشتر یک کاشی پریودیک، مجموعههایی با اشکال کمتر و کمتر یافت شد. در سال 1976 راجر پنروز مجموعهای از فقط دو کاشی را کشف کرد که اکنون از آن بهعنوان کاشیهای Penrose یاد میشود که فقط کاشیهای غیر دوره ای صفحه تخت را تولید میکرد. این کاشیکاری مواردی از تقارن پنج برابر را نشان میدهد. یک سال بعد، آلن مكاك بهطور تجربی نشان داد كه الگوی پراش از کاشیهای پنروز دارای یک تبدیل دو بعدی فوریه متشكل از قلههای تیز «دلتا» است كه در یک الگوی متقارن پنج برابر قرار گرفته اند. در همین زمان رابرت امان مجموعهای از کاشیهای پریودیک را ایجاد کرد که تقارن هشت برابر را تولید میکرد.
شچمن اولین بار الگوهای پراش الکترون ده برابر را در 1982 مشاهده کرد، همانطور که در دفترچه یادداشت خود شرح داده شده است. این مشاهدات در طی یک تحقیق معمول، با میکروسکوپ الکترونی، از آلیاژی بهسرعتخنکشدهای آلومینیوم و منگنز تهیه شده و در دفتر ملی استاندارد ایالات متحده (بعداً NIST) انجام شد. در سال 2011 چایزه نوبل بهدلیل فعالیت در زمینه كریستالهای كوچك، به شچمن تعلق گرفت. کمیته نوبل اظهار داشت: «کشف وی از کریستریالهای اصلی یک اصل جدید برای بسته بندی اتمها و مولکول ها را نشان داد.» این امر منجر به تغییر پارادایم در شیمی شد.
از نظر ریاضی، کریستالهای شبه نشان داده شده است که از یک روش کلی مشتق میشوند که آنها را بهعنوان پیشبینیهای یک شبکه با ابعاد بالاتر رفتار میکند. همانطور که میتوانید دایره ها، بیضیها و منحنیهای هایپارابولیکی موجود در یک صفحه را بهعنوان بخشهایی از مخروط دو بعدی سه بعدی بدست آورید، به همین ترتیب، ترتیبهای متنوعی (فوق العاده یا دوره ای) در دو و سه بعد نیز میتوانید از ابر فشارهای فرض شده با چهار بعد یا بیشتر بهدست آورید.
در اوایل سال 2009، مشخص شد كه كریستالهای شبهكریستالی با فیلم نازك میتوانند با خودمونتاژ واحدهای مولكولی بهاندازه یك نانو به یك اندازه و در یك رابط مایع هوا تشکیل شوند. بعداً مشخص شد که این واحدها میتوانند نه تنها معدنی، بلکه همچنین ارگانیک باشند.
در سال 2018، کیمیادانان دانشگاه براون از ایجاد موفقیتآمیز یک ساختار مشبک خود سازنده بر اساس یک نقطه کوانتومی عجیب و غریب شکل گرفته، خبر دادند. در حالیکه قبلاً مشبکهای شبهکریستالی تک مولفه از لحاظ ریاضی و شبیهسازیهای کامپیوتری پیشبینی شده بودند، قبل از این اثبات نشده بودند.
برنامه های کاربردی
برنامه کاربردی استفاده از شبهکریستالهای Al-Cu-Fe-Cr با اصطكاك كم بهعنوان روكشی برای ماهیتابه ها بود. مواد غذایی به اندازهای که در فولاد ضد زنگ میچسبد، به آن نمی چسبیدند و باعث میشد تا ماهیتابه نسبتا غیرچسبنده و تمیز شود. انتقال حرارت و دوام بهتر وسایل آشپزی نچسب PTFE بهدلیل ماهیتابه عاری از اسید پرفلوئوروکاتانوئیک(PFOA) بود. سطح آن بسیار سخت بود و ادعا میشد ده برابر سخت از فولاد ضد زنگ است و به وسایل فلزی یا تمیز کردن ماشین ظرفشویی آسیب نمیرساند. و ماهیتابه میتواند درجه حرارت از 1000 درجه سانتیگراد (1800 درجه فارنهایت) را بدون آسیب تحمل کند. با این حال، پخت و پز با نمک زیادی، باعث میشود پوشش شبه کریستالی مورد استفاده خراب، و تابه ها در نهایت از تولید خارج شوند. شچمن یکی از این قابلمه ها را داشت.
به نقل از نوبل، شبه بلورها اگرچه شکننده هستند، اما میتوانند فولاد «مانند زره» را تقویت کنند. وقتی از شچمن درباره کاربردهای احتمالی کریستالهای شبه سوال شد، وی گفت که یک فولاد ضد زنگ سخت شده با بارش تولید میشود که توسط ذرات کوچک شبه بلوری تقویت میشود. خوردگی ندارد و بسیار قوی است و برای تیغ و ابزار جراحی مناسب است. ذرات کوچک شبه کریستالی مانع از حرکت دررفتگی در مواد میشوند.
بلورهای شبه نیز برای توسعه عایق حرارتی، ال ای دی، موتورهای دیزل و مواد جدیدیکه گرما را به برق تبدیل میکنند مورد استفاده قرار گرفتند. شچمن برنامههای جدیدی را با استفاده از ضریب اصطکاک کم و سختی برخی از مواد شبهکریستالی، بهعنوان مثال تعبیه ذرات در پلاستیک برای ساخت دندههای پلاستیکی قوی، سختپوش و کممصرف پیشنهاد داد. هدایت حرارتی پایین برخی از بلورهای شبه باعث میشود آنها برای پوششهای عایق حرارتی مناسب باشند.
سایر کاربردهای بالقوه شامل جذبکننده خورشیدی انتخابی برای تبدیل نیرو، بازتابندههای با طولموج گسترده و کاربردهای ترمیم استخوان و پروتز است که در آن سازگاری زیستی، اصطکاک کم و مقاومت در برابر خوردگی لازم است. پاشیدن مگنترون را میتوان بهآسانی در سایر آلیاژهای شبهبلوری پایدار مانند Al-Pd-Mn استفاده کرد.
ترجمه: آصف برخیا - آ بی کلاس
فیزیک حالت جامد - solid state physics
همه ای ما کمابیش لذت درک کردن چیزی را چشیده ایم؛ لذتی که در تک تک سلول های مغزمان جاری می شود و تمام وجودمان را فرا می گیرد. با درک کردن و فهمیدن، احساس قدرت می کنیم. گاهی ممکن است چیزی را نفهمیم؛ آری زیاد پیش می آید. گاهی هم می پنداریم چیزی را فهمیده ایم و به آسانی از کنارش رد می شویم. اما گاهی مصرانه باقی می مانیم وکم نمی آوریم؛ آنقدر پافشاری می کنیم تا به واقعیت دست یابیم. اما چه زمان است که چیزی رامی فهمیم؟ اصلا فهمیدن به چه معنی است وتفاوت بین یادگیری و فهمیدن در چیست؟