“Bilim adamlarının neden var oldukları belirsizdi”: Çığır açan çalışma neden "imkansız" quasicrystals

Quasicrystalsalışılmadık bir atomik arasına düşen yapısal form kristal Ve bardakbu olağandışı atom düzenlemesinin bir zamanlar bilim adamları tarafından imkansız olduğu düşünülmesine rağmen, en istikrarlı madde biçimi olabilir.

Yeni bir çalışmada Michigan Üniversitesi araştırmacılarına göre, bu materyalleri bu kadar benzersiz kılan şey, atomların kristallerde bulunanlara benzer şekilde düzenlenmesidir. Ancak kristallerden farklı olarak, bu kafesler tekrarlamaz.

Yeni çalışma, hızlı ısıtma ve soğutmanın neden olduğu camda bulunanlara benzer düzensiz desenlere sahip quasicrystals'a rağmen, bu benzersiz malzemelerin temelde stabil olduğunu gösteren simülasyonlara dayanıyordu.

Quasicrystals'ın gizemi

“İstenilen özelliklere sahip malzemeler tasarlamak istiyorsak, atomların belirli yapılara nasıl düzenleneceğini bilmemiz gerekiyor,” dedi ortak yazar Wenhao Sunyeni çalışmanın karşılık gelen yazarı ve Michigan Üniversitesi Dow Erken Kariyer Yardımcısı Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Profesörü. “Quasicrystals bizi belirli materyallerin nasıl ve neden oluşabileceğini yeniden düşünmeye zorladı. Çalışmamıza kadar, bilim adamlarına neden var olduklarını belirsizdi.”

İsrail bilim adamı Daniel Shechtman, 1984'te quasicrystals'ı tanımlayan ilk kişiydi, bu da bilinen fiziğe meydan okuyan bir keşifti. Alüminyum ve manganez gibi bazı metallerin yapısının yüzlerinde birleştirilen 20 taraflı zarların bir kümesine benzediğini gözlemlediğinde düzenlemeyi tasarladı. Bu metalik düzenlemelerden Shechtman, bir yapının beş farklı görüşten aynı olacağı beş katlı bir simetri öngördü.

Shechtman fikri önerdiğinde, bilim adamları kristal kafeslerin her yöne tekrarlanması gerektiğine inanıyorlardı, bu da beş katlı simetri Shechtman'ın imkansız olduğunu öne sürdüler. Bununla birlikte, Shechtman'ın kuasikristal tanımını takip eden yıllarda, bu tür malzemeler hem laboratuvarlarda sentetik olarak üretildi hem de milyar yıllık meteoritlerde doğal olarak meydana geldiği keşfedildi. Çalışmaları onaylandığında, Shechtman sonunda 2011 yılında Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldü.

Ölçülmesi zor özellikler

Resmi tanınmasından sonra bile, quasicrystals'ın nasıl oluşturulmasıyla ilgili birçok soru kaldı. Karışıklık, esas olarak yoğunluk fonksiyonel teorisi olarak bilinen şeyi içeren bir kristalin stabilitesini hesaplamak için kullanılan yöntemden kaynaklandı. Teori, bir kristalin stabilitesini belirlemek için sonsuz tekrarlayan desenler kullanır, ancak quasicrystals bu temel özellikten yoksundur.

Materyal Bilimleri ve Mühendisliği UM doktora öğrencisi baş yazar Woohyeon Baek, “Bir materyali anlamanın ilk adımı, neyin kararlı olduğunu bilmektir, ancak Quasicrystals'ın nasıl stabilize edildiğini söylemek zor oldu” dedi.

Kristaller oluştuğunda, genellikle atomlar kendilerini entalpi stabilize kristaller olarak bilinen mümkün olan en düşük enerji kimyasal bağlarına dönüştürür. Crystal'in entalpisi stabilizasyonuna biraz yakın olan cam entropi stabilize olur, ancak hızlı soğutması atomları patern olmadan dondurur. Yavaş bir soğutma, düzenlemelerin yerel olarak tekrarlandığı, ancak madde boyunca daha uzun aralıklarda değiştiği bir tür “orta zemin” durumunun oluşmasına neden olabilir.

İmkansızlığı anlamlandırma

Araştırmacılar, quasicrystals'ın kristaller gibi entalpi stabilize olup olmadığını veya cam gibi entropi stabilize olup olmadığını belirlemek için yola çıktığında, küçük nanoparçacıkları simüle edilmiş bir kuasikrystal parçasından çıkardılar. Daha sonra, tanımlanan parçacık sınırları nedeniyle, sonsuz tekrarlayan paternlerle stabiliteyi hesaplamalarına izin veren her nanoparçacıkta bulunan toplam enerjiyi hesapladılar.

Ekip, hesaplamalarından, hem bir skandiyum-çinko alaşımı hem de bir ytterbium-cadmium alaşımının entalpi stabilize edildiğini belirledi.

Ekip için en önemli zorluklardan biri, hesaplamalarını nanopartiküllerden daha büyük örneklere kadar ölçeklendirmede ortaya çıkan büyük bir bilgi işlem darboğazıydı. Daha büyük parçacıklar, ekibin bulgularını ölçeklendirmesini gerektiren daha doğru hesaplamalar üretir; Bununla birlikte, atomların her iki katına çıkma, hesaplama süresini sekiz kat arttırır.

“Geleneksel algoritmalarda, her bilgisayar işlemcisinin birbirleriyle iletişim kurması gerekiyor, ancak algoritmamız 100 kat daha hızlıdır çünkü sadece komşu işlemciler iletişim kuruyoruz ve süper bilgisayarlarda GPU hızlanmasını etkili bir şekilde kullanıyoruz” dedi.

Gavini, “Artık cam ve amorf malzemeleri, farklı kristaller arasındaki arayüzleri ve kuantum bilgi işlem bitlerini sağlayabilecek kristal kusurları simüle edebiliriz” dedi.

Kağıt, "Yoğunluk fonksiyonel teorisinden quasicrystal stabilitesi ve çekirdeklenme kinetiği”Ortaya çıktı Doğa fiziği 13 Haziran 2025'te.

Ryan Whalen, bilgilendirme için bilim ve teknolojiyi kapsar. Veri bilimi sertifikası ile tarihte bir MA ve kütüphane ve bilgi bilimi yüksek lisans derecesine sahiptir. Onunla iletişime geçilebilir [email protected]ve onu Twitter'da takip et @mdntwvlf.