Нашли квазикристаллы в природном минерале

Впервые в природном минерале найдено вещество, структура которого противоречит основным положениям классической науки о кристаллах. До сих пор квазикристаллы получали только в лаборатории.

Квазикристаллы – твердые тела с особым типом организации атомной структуры. Окружение атомов в этом необычном материале может иметь симметрию 5-го, как у пятиконечной звезды, 7-го или даже более высокого порядка. Классическая кристаллография полагает существование кристаллов с подобными структурами невозможным. Собственно, именно поэтому материал и был назван «почти кристаллом». От обычного, истинного кристалла его отличает отсутствие трансляционной симметрии, то есть возможности выделить некий ограниченный объем – так называемую элементарную ячейку – и транслируя, то есть копируя ее в трех измерениях, восстановить весь кристалл целиком.

Еще в XIX веке было доказано, что плоскость можно покрыть периодическим узором из элементов с осевой симметрией порядков n=2, 3, 4 и 6. Первые квазикристаллы получила группа ученых из Израиля, Франции и США в 1984 году. Они резко охладили расплав смеси алюминия и марганца и, изучая структуру полученного интерметаллида, выяснили, что получили квазикристалл. С тех пор удалось найти и другие примеры квазикристаллов, но все в лабораторных условиях. До сегодняшнего дня.

Американо-итальянская команда ученых заявила, что впервые найден природный квазикристалл. Их сообщение опубликовано в журнале Science. Возглавлял поисковую группу американский физик Пол Стейнхардт. Более всего этот физик-теоретик известен своими работами в области космологии, и мало кто помнит, что в 1984 году, незадолго до публикации статьи о получении первых квазикристаллов, он вместе со своим коллегой Довом Левином теоретически предсказал их существование.

«Этот совершенный пример квазикристалла нашелся внутри целой ассамблеи комплекса других минералов, — поделился подробностями находки профессор Стейнхардт с корреспондентом. — Минерал удалось найти после десятилетия утомительных систематических поисков. У нас, конечно, был способ выбора возможных кандидатов, но затем мы должны были проверить каждый по отдельности».

И действительно, ученые проделали колоссальную работу. Сначала они искали среди природных материалов, структура которых уже была определена и размещена в самой крупной международной базе ICDD (International Center Diffraction Data). В этом занятии не было ничего необычного – ведь при определении структуры, тем более такой необычной, ученые могли сделать ошибку. Такое уже случалось – в 1940-х годах ученые ошибочно идентифицировали квазикристаллы алюминиевых сплавов как кубические с большой постоянной решетки. То есть на самом деле искусственно полученный квазиструктурированный материал ученые держали в руках задолго до его официального открытия. Возможно, подобная ошибка произошла и с природными минералами.

Но проверка 50 отобранных «базовых» кандидатов не выявила ни одного квазикристалла. Тогда ученые перешли к неизученным минералам. В первую очередь — к природным сплавам и интерметаллидам на основе алюминия: именно среди них находились наиболее стабильные квазикристаллы в лабораториях.

В определенный момент очередь дошла до хатыркита – природного немагнитного металлического минерала, содержащего примерно 25% меди, 25% цинка и 50% алюминия. Этот минерал находили лишь в одном месте – в России. Точнее в вулканических породах триасового периода на Корякском нагорье возле ручья Лиственитовый. Однако ученые исследовали образец из Музея естественной истории университета Флоренции, который его сотрудники приобрели у частного лица в 1990 году, пояснил хранитель музея и один из членов исследовательской группы Лука Бинди. Имеет ли изученный образец то же происхождение, что и большинство хатыркитов, ученые не знают.

Изученный ими образец являл собой агломерат самых разных минералов – шпинели, авгита, хризолита, а также металлических минералов – хатыркита и купалита, близкого по составу к хатыркиту.

Место находки - Корякское нагорье или Корякский хребет. Нагорье в России, на северо-востоке Сибири, в пределах территории Чукотского автономного округа и Камчатской области. Находится на побережье Берингова моря между Анадырским заливом и полуостровом Камчатка. Состоит из коротких хребтов, гряд и кряжей средней высоты.

Но не хатыркит и купалит оказались для ученых находкой. В образце были обнаружены совсем крохотные — около 100 микрометров в диаметре включения другого минерала. Его состав – 63% алюминия, 24% меди и 13% железа – оказался очень близок к одному из наиболее известных и хорошо изученных квазикристаллов, открытых японской группой под руководством Ань Пан Цай в 1987 году.

Ученые извлекли из минерала около 200 зернышек и изучили их структуру. Ожидания оказались не напрасными – зерна имеют структуру икосаэдрического квазикристалла с шестью пересекающимися осями симметрии пятого порядка. «Эти квазикристаллические зернышки имеют химический состав и кристаллическую структуру, никогда ранее не наблюдавшуюся в природе. По этой причине они вполне заслужили собственное имя», — рассказал Лука Бинди. Какое имя получит новый минерал, пока неясно. Но не исключено, что сам итальянский музейщик будет увековечен в минерале. Ведь, как считает профессор Стейнхардт, «только благодаря упорной работе Луки и его готовности аккуратно протестировать каждую часть образца квазикристалл удалось найти».

На самом деле структуру найденного кристалла можно представить как объемное наложение двух традиционных кристаллических структур, не имеющих осей симметрии запрещенного порядка. Вот только периоды таких структур будут иметь иррациональное соотношение. В данном случае это две ромбоэдрические структуры, периоды которых относятся друг к другу как 1,618. Это соотношение наиболее известно как «золотое сечение».

Квазикристаллы сейчас объекты скорее теоретического исследования. Они применяются в технике в качестве покрытий, но не очень распространены. Почему ученых так увлекли поиски материала в природе, рассказал Пол Стейнхардт: «Одной из главных мотиваций поиска в первую очередь была попытка оценить, насколько трудно сформировать квазикристалл. За 25 лет даже в лабораториях квазикристаллы удалось получить около сотни раз. И все они требовали идеальных условий и аккуратности. То, что кристалл обнаружился в минерале, может означать, что это не такая уж большая редкость, как считали ранее, и условий для его получения достичь проще, чем мы думали. Нужно посмотреть, много ли других примеров мы сможем еще найти».