Квазикристалл имеет странную атомную структуру, что придает ему уникальные свойства, характерные как для истинного хрусталя, так и для стекла.
Рисунок 4.1 – Квазикристалл — древний метеорит.
Шехтман нашел их совершенно случайно, во время отпуска в США. Он работал с быстрым охлаждением сплавов алюминия и марганца, и заметил необычный узор кристаллической структуры испытуемых образцов. У нормальных кристаллов, атомы составляют ячейку в виде трехмерной решетки. Каждая такая ячейка-клетка имеет идентичные структуры клеток, окружающих ее.
Квазикристаллы упорядочены, как и обычные кристаллы, но имеют более сложную форму симметрии. В квазикристаллах, каждая ячейка имеет другую конфигурацию клеток, окружающих ее. Хотя структуры, поразительно похожие на квазипериодические разбиения, изобретены математиком Роджером Пенроузом.
В настоящее время известны сотни видов квазикристаллов, имеющих точечную симметрию икосаэдра, а также десяти-, восьми- и двенадцатиугольника. Породы с природными Fe-Cu-Al-квазикристаллами найдены на Корякском наго- рье в 1979 году. Однако только в 2009 году учѐные из Принстона установили этот факт. В 2011 году они выпустили статью, в которой рассказали, что данный квазикристалл имеет вне- земное происхождение. Летом того же 2011 года в ходе экспедиции в Россию минерологи нашли новые образцы природных квазикристаллов. Выдвигают две гипотезы почему квазик- ристаллы является (мета-)стабильными: - стабильность вызвана тем, что внутрен- няя энергия квазикристаллов минимальна по сравнению с другими фазами, как следствие, ква- зикристаллы должны быть стабильны и при тем- пературе абсолютного нуля. При этом подходе имеет смысл говорить об определѐнных положе ниях атомов в идеальной квазикристаллической структуре, то есть мы имеем дело с де- терминистическим квазикристаллом. Детерминистическое описание структуры квази к- ристаллов требует указать положение каждого атома, при этом соответствующая мо- дель структуры должна воспроизводить экспериментально наблюдаемую картин у ди- фракции. Общепринятый способ описания таких структур использует тот факт, что то- чечная симметрия, запрещѐнная для кристаллической решетки в трѐхмерном простран- стве, может быть разрешена в пространстве большей размерности D. Согласно таким моделям структуры, атомы в квазикристалле находятся в местах пересечения некоторо- го (симметричного) трѐхмерного подпространства RD (называемого физическим под- пространством) с периодически расположенными многообразиями с краем размерности D-3, трансверсальными физическому подпространству. - другая гипотеза предполагает определяющим вклад энтропии в стабильность. Энтропийно- стабилизированные квазикристаллы при низких температурах принципи- ально нестабильны. Сейчас нет оснований считать, что реальные квазикристаллы ста- билизируются исключительно за счѐт энтропии. Известно, что соединения металлов с такой кристаллографической структурой обладают уникальными свойствами: - устойчивы вплоть до температуры плавления; - растут практически при равновесных условиях, как и обычные кристаллы; - электрическое сопротивление в квазикристаллах, в отличие от металлов при низких температурах аномально велико, а с ростом температуры уменьшается; - магнитные свойства: большинство квазикристаллических сплавов — диамагне- тики; - механические свойства: Упругие свойства квазикристаллов ближе к упругим свойствам аморфных веществ, чем кристаллических. Они характеризуются понижен- ными по сравнению с кристаллами значениями упругих модулей. Однако квазикри- сталлы менее пластичны, чем сходные по составу кристаллы и, вероятно, они смогут играть роль упрочнителей в металлических сплавах; - высокая коррозионная стойкость; - не изоляторы и не полупроводники, но в отличие от металлов их электросопро- тивление при низких температурах аномально велико, уменьшается с ростом темпера- туры и возрастает по мере увеличения структурного порядка и отжига дефектов.
Рисунок 4.2 - Кристаллическая решетка квазикристалла.