Gdy w kwietniu 1982 r. Daniel Shechtman spojrzał na wyniki swoich badań, sam nie mógł w nie uwierzyć. Obraz, jaki uzyskał z mikroskopu elektronowego, przeczył zdrowemu rozsądkowi. Co gorsza, podważał dotychczasowe reguły przyjęte przez naukę. Materiał, który badał Shechtman (stop glinu i manganu), tworzył kryształy o symetrii pięciokrotnej - coś, czego, jak się zdawało, w przyrodzie nie ma.

Nie ma?

Prawie wszystkie substancje są w stanie w odpowiednich warunkach budować kryształy - począwszy od zamarzającej wody, przez sól, na złocie skończywszy. Pojedyncze atomy tworzą w nich regularną trójwymiarową strukturę. Jej podstawą jest kilka atomów, które tworzą komórkę - jak pierwszy poziom rusztowania, które stawia się, remontując elewację budynku. Cały kryształ to według naukowców szkielet - taki jaki powstałby, gdyby ustawić obok siebie i jedne na drugich rzędy rusztowań.

Może być wiele takich układów (o symetrii trzykrotnej, czterokrotnej, sześciokrotnej - wtedy podstawowe komórki mają różny kształt, nie są koniecznie prostopadłościanem jak w rusztowaniu). I właśnie tego typu kryształu spodziewał się Shechtman, gdy badał swoje metale.

Nie mógł uwierzyć, że możliwa jest symetria pięciokrotna, bo taka - w świetle ówczesnej wiedzy - wyklucza równe układanie kolejnych warstw atomów we wszystkich trzech wymiarach. Dlatego naukowiec początkowo odrzucił własne wyniki. - Eyn chaya kazo (Nie ma czegoś takiego) - powiedział do siebie po hebrajsku. Jeszcze bardziej nieprzychylny okazał się świat naukowy. Chemikowi zarzucano, że jego wyniki to efekt błędu metodologicznego. Były dziwne, bo miały je dawać dwa zrośnięte kryształy zamiast jednego. Zaciekłym krytykiem Daniela Shechtmana był nawet sam Linus Pauling, biochemik, dwukrotny laureat Nagrody Nobla (pokojowej i z chemii).

Jednak Shechtman był pewny swoich wyników. Wiedział, że nie są one dziełem nieuwagi, a jeśli ktoś się mylił, to było to środowisko naukowe, a nie on. Gdy w końcu w 1984 r. opublikował swoje badania w "Physical Review Letters", wciąż nie wiedział, jak jego kryształy są właściwie zbudowane. Symetria (w tym wypadku pięciokrotna) mówi naukowcom jedynie o ogólnej budowie kryształu. Nie wyjawia, jak atomy są względem siebie ułożone w przestrzeni. Do wyjaśnienia tej zagadki doprowadziło dopiero kilka odkryć innych badaczy: matematyka, chemika i dwóch fizyków.

Jest! W Rosji

Kilkanaście lat wcześniej doszło do naukowego przełomu, który pozornie nie ma nic wspólnego z kryształami. Matematycy, skorzy do łamigłówek i wszelkiego rodzaju zagadek, od długiego czasu próbowali stworzyć mozaikę, w której żaden wzór się nie powtarzał (jak mówią naukowcy, miała być "nieokresowa"). Powinna składać się z minimalnej liczby elementów (kafelków), a pokrywać nieskończenie wielką powierzchnię. Pierwsze rozwiązanie tego problemu pojawiło się w 1966 r., ale wymagało użycia 20 tys. różnych kafelków! Dopiero w połowie lat 70. słynny brytyjski matematyk prof. Roger Penrose podał dużo bardziej eleganckie rozwiązanie - dwa romby (chudy i gruby) tworzące wymarzoną przez naukowców nieokresową mozaikę.

Zwróciła ona uwagę krystalografa Alana Mackeya. W 1982 r. spróbował on wykorzystać ją do wymyślenia trójwymiarowej struktury zbudowanej z atomów - hipotetycznego kryształu. Udało mu się, a jakże, ale kryształ wyszedł mu niezwykły, bo o symetrii dziesięciokrotnej. Całkiem podobny do tego, który w tym samym czasie uzyskał doświadczalnie Shechtman.

Zagadkę nieprawdopodobnych kryształów przyszłego noblisty rozwiązali jednak dopiero dwaj amerykańscy fizycy Paul Steinhardt i Dov Levine, którzy skojarzyli dokonania Mackeya i Shechtmana, a potem wytłumaczyli, jak zbudowane są kryształy o pięcio- i dziesięciokrotnej symetrii. To również oni zaproponowali nazwę dla tego niezwykłego stanu materii. W opublikowanej w 1984 r. pracy (pięć tygodni po publikacji Shechtmana) nazwali ją kwazikryształem.

Od tamtego czasu wyprodukowano ich tysiące, a nawet znaleziono jeden występujący naturalnie w przyrodzie. To minerał znaleziony w rzece Chatyrka na Czukotce, który zawiera glin, miedź i żelazo. Metal w takiej formie ma niezwykłe właściwości. Przede wszystkim jest bardzo twardy.

Dziś pewna szwedzka firma stosuje kwazikryształy w produkcji ostrzy żyletek i bardzo twardych igieł do chirurgii oka. Niestety, kryształy o symetrii pięciokrotnej są jednocześnie wrażliwe na pęknięcia jak szkło. Ale też słabo przewodzą prąd i nie przywierają łatwo do innych materiałów. Dlatego naukowcy eksperymentują z wykorzystaniem ich do produkcji powłok patelni, do których nie przywierałoby jedzenie, izolacji cieplnych oraz części do diod LED.



W ubiegłym roku laureatami Nagrody Nobla z chemii zostali prof. Richard Heck, prof. Ei-ichi Negishi i prof. Akira Suzuki, nagrodzeni za prace z dziedziny katalizy metaloorganicznej, a dokładnie za katalizę związków organicznych w obecności palladu. Prościej - za wynalezienie oraz udoskonalenie metody dołączania do związków organicznych (czyli zwierających atomy węgla) kolejnych atomów węgla. Katalizatorem, czyli związkiem, który w tym wypadku umożliwia to połączenie jest pierwiastek - pallad. Dzięki temu odkryciu można budować coraz większe cząsteczki organiczne, stworzone do naszych potrzeb - uzyskując np. składniki leków i... kremów do opalania.



Sylwetka laureata:

Daniel Shechtman, inżynier od Verne'a i „kwazinaukowiec”

Chłodny kwietniowy poranek 1982 r. Daniel Shechtman, pracujący wówczas w Narodowym Instytucie Standaryzacji i Technologii w Gaithersburgu (okolice Waszyngtonu), spogląda przez mikroskop elektronowy i widzi dziwną strukturę, która przeczy regułom krystalografii. Początkowo sam nie może uwierzyć własnym oczom. Potem stara się przekonać innych. - Mówiłem każdemu, kto był gotów mnie wysłuchać, że mam materiał z pięciokrotną osią symetrii. Ludzie po prostu śmiali się mi się w twarz - wspomina dziś Shechtman.

Przez kolejne miesiące naukowiec z Izraela usiłuje przekonać kolegów z laboratorium, że to, co im pokazuje, jest nieznanym dotychczas rodzajem kryształu. Na próżno. Pewnego dnia odwiedza go dyrektor administracyjny jego grupy badawczej i kładzie na biurku podręcznik, prosząc, by zapoznał się z jego treścią. - Odpowiedziałem mu, że z tej książki korzystam, pracując ze studentami, ale to, z czym mamy teraz do czynienia, wykracza poza rozumienie przedstawione w książce - mówi Shechtman. Po 24 godzinach dyrektor wraca i prosi go o opuszczenie grupy, gdyż przynosi kolegom wstyd.

Daniel Shechtman wraca do Izraela. Uśmiecha się do niego szczęście - wreszcie znajduje człowieka, dla którego jego wnioski wydają się godne głębszego zbadania. To prof. Ilan Blech. Ich współpraca doprowadza do ukazania się w 1984 r. artykułu zmieniającego podstawowe założenia dotyczące natury materii.

Źródło: Gazeta Wyborcza

1 2  następne »