Kuasikristal - Quasicrystal

İle karıştırılmaması gereken Yarı kristaller (supramoleküler).
Gümüş biriktirme için potansiyel enerji yüzeyi alüminyum -paladyum -manganez (Al-Pd-Mn) kuasikristal yüzey. Ref. Şekil 6'ya benzer.[1]

Bir yarı periyodik kristal veya kristal kristal, bir yapı yani sipariş Ama değil periyodik. Yarı kristal bir model, mevcut tüm alanı sürekli olarak doldurabilir, ancak öteleme simetri. Klasiklere göre kristaller kristalografik sınırlama teoremi, yalnızca iki, üç, dört ve altı katına sahip olabilir dönme simetrileri, Bragg kırınımı yarı kristallerin deseni, diğerleriyle keskin zirveler gösterir. simetri siparişler - örneğin, beş kat.

Aperiodik döşemeler 1960'ların başında matematikçiler tarafından keşfedildi ve yaklaşık yirmi yıl sonra doğal yarı kristallerin çalışmasına uygulandıkları bulundu. Doğadaki bu periyodik olmayan formların keşfi, bir paradigma kayması alanlarında kristalografi. Kristalografide yarı kristaller, 1981'de beş katlı simetri çalışmasıyla tahmin edildi. Alan Lindsay Mackay,[2] - bu da kristalografiyle birlikte 1982'de Fourier dönüşümü bir Penrose döşeme,[3] kırınım yoluyla bir malzemede yarı periyodik düzeni belirleme imkanı.

Quasicrystals araştırılmış ve daha önce gözlemlenmişti.[4] ancak 1980'lere kadar maddenin atomik yapısı hakkındaki hakim görüşler lehine göz ardı edildi. 2009 yılında, özel bir aramadan sonra, mineralojik bir bulgu, icosahedrite, doğal yarı kristallerin varlığına dair kanıt sundu.[5]

Kabaca, eksikse bir sipariş periyodik değildir öteleme simetri Bu, kaydırılmış bir kopyanın asla orijinaliyle tam olarak eşleşmeyeceği anlamına gelir. Daha kesin matematiksel tanım şudur: Asla öteleme simetrisi n – 1 Doğrusal bağımsız yönler, nerede n Doldurulan boşluğun boyutudur, örneğin, bir kuasikristal içinde görüntülenen üç boyutlu döşeme, iki yönde öteleme simetrisine sahip olabilir. Simetrik kırınım desenleri, düzenli aralıklarla sonsuz derecede fazla sayıda öğenin varlığından kaynaklanır; uzun menzilli sipariş. Deneysel olarak, peryodisite, kırınım modelinin olağandışı simetrisinde, yani iki, üç, dört veya altıdan farklı sıraların simetrisinde ortaya çıkar. 1982'de malzeme bilimcisi Dan Shechtman belli olduğunu gözlemledim alüminyum -manganez alaşımlar günümüzde kuasikristal yapıların açığa çıkarıcısı olarak görülen alışılmadık kırınım grafiklerini üretti. Bilimsel topluluğun tepkisinden korktuğu için sonuçları yayınlaması iki yıl sürdü.[6][7] 2011 yılında Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldü.[8]25 Ekim 2018'de, Luca Bindi ve Paul Steinhardt İtalya ve Amerika Birleşik Devletleri arasındaki işbirliği ve bilimsel araştırma için Aspen Institute 2018 Ödülü'ne layık görüldü.

Tarih

Bir Penrose döşeme

1961'de, Hao Wang bir dizi kiremitin düzlemin döşemesini kabul edip etmediğini belirlemenin bir algoritmik olarak çözülemeyen problem ya da değil. Uçağı döşeyebilen her karo setinin bunu yapabileceği hipotezine dayanarak bunun çözülebilir olduğunu varsaydı. periyodik olarak (bu nedenle, periyodik olarak döşenen bir tane elde edene kadar daha büyük ve daha büyük desenleri döşemeye çalışmak yeterli olacaktır). Yine de, iki yıl sonra öğrencisi Robert Berger 20.000 kare karelik bir set inşa etti (şimdi "Wang fayans ") uçağı döşeyebilir, ancak periyodik olarak değil.[9] Daha fazla periyodik olmayan karo setleri keşfedildikçe, daha az ve daha az şekle sahip setler bulundu. 1976'da Roger Penrose şimdi olarak anılan sadece iki taştan oluşan bir set keşfetti Penrose fayansları, yalnızca düzlemin periyodik olmayan eğimlerini üreten.[9] Bu eğimler beş kat simetri örnekleri sergiliyordu. Bir yıl sonra Alan Mackay deneysel olarak Penrose döşemesinden gelen kırınım modelinin iki boyutlu olduğunu gösterdi. Fourier dönüşümü keskin 'den oluşandelta beş kat simetrik bir düzende düzenlenmiş tepeler.[10] Yaklaşık aynı zamanda, Robert Ammann sekiz kat simetri üreten bir dizi periyodik olmayan karo yarattı.

Matematiksel olarak, yarı kristallerin, onları daha yüksek boyutlu bir kafesin projeksiyonları olarak ele alan genel bir yöntemden türetilebileceği gösterilmiştir. Düzlemdeki daireler, elipsler ve hiperbolik eğriler gibi elde edilebilir bölümler üç boyutlu bir çift koniden, bu nedenle iki ve üç boyutta çok çeşitli (periyodik olmayan veya periyodik) düzenlemeler, dört veya daha fazla boyutlu varsayılan hiper latekslerden elde edilebilir. Üç boyutlu ikosahedral yarı kristaller, altı boyutlu bir hiperkübik kafesten, Peter Kramer ve Roberto Neri, 1984.[11] Döşeme, iki kiremitten oluşur. eşkenar dörtgen şekil.

Shechtman ilk olarak on kat gözlemledi elektron kırınımı 1982'de, defterinde anlatıldığı gibi desenler.[12] Gözlem, hızlı bir şekilde soğutulan bir elektron mikroskobu ile rutin bir araştırma sırasında yapıldı. alüminyum ve mangan alaşımı ABD'de hazırlanmış Ulusal Standartlar Bürosu (daha sonra NIST).

Aynı yılın yazında Shechtman, Ilan Blech'i ziyaret etti ve gözlemini ona aktardı. Blech, bu tür kırılmaların daha önce görüldüğüne karşılık verdi.[13][14] O sıralarda Shechtman, bulgusunu da John W. Cahn herhangi bir açıklama yapmayan ve gözlemi çözmesi için ona meydan okuyan NIST. Shechtman, Cahn'ın şunları söylediğini aktardı: "Danny, bu malzeme bize bir şeyler söylüyor ve ne olduğunu bulmanız için size meydan okuyorum".

On kat kırınım modelinin gözlemi, Blech'in Shechtman'dan sonuçlarını tekrar göstermesini istediği 1984 baharına kadar iki yıl boyunca açıklanamadı. Shechtman'ın sonuçlarının hızlı bir şekilde incelenmesi, ikizlerin varlığı olan on katlı simetrik kırınım modelinin ortak açıklamasının deneyleriyle dışlandığını gösterdi. Periyodiklik ve ikizler göz ardı edildiğinden, iki boyutlu döşeme çalışmasının farkında olmayan Blech, başka bir olasılık arıyordu: tanımlanmış açılar ve mesafelerle, ancak dönüşüm periyodisitesi olmaksızın birbirine bağlanmış hücreleri içeren tamamen yeni bir yapı. Blech, uzun menzilli öteleme sırası olmayan ancak yine de rasgele olmayan böyle bir malzemenin bir kümesinden kırınım yoğunluğunu hesaplamak için bir bilgisayar simülasyonu kullanmaya karar verdi. Bu yeni yapıyı çoklu olarak adlandırdı çok yüzlü.

Yeni bir yapı fikri gerekliydi paradigma kayması çıkmazdan kurtulmak için. "Evreka anı", bilgisayar simülasyonu, periyodiklikten yoksun üç boyutlu yapıdan çıkan, gözlemlenenlere benzer keskin on kat kırınım desenleri gösterdiğinde geldi. Çoklu çok yüzlü yapı, daha sonra birçok araştırmacı tarafından ikosahedral cam olarak adlandırıldı, ancak gerçekte kucaklıyor belirli açı ve mesafelerle bağlantılı herhangi bir polihedra düzenlemesi (Bu genel tanım, örneğin döşeme içerir).

Shechtman, Blech'in yeni bir malzeme türü keşfini kabul etti ve bu, ona deneysel gözlemini yayınlama cesareti verdi. Shechtman ve Blech, "The Microstructure of Rapidly Solidified Al6Mn "[15] ve yayınlanmak üzere Haziran 1984 civarında Uygulamalı Fizik Dergisi (JAP). JAP editörü, makaleyi metalurjik bir okuyucu kitlesine daha uygun olduğu için derhal reddetti. Sonuç olarak, aynı makale yayınlanmak üzere yeniden gönderildi. Metalurjik İşlemler A kabul edildiği yer. Yayınlanan metnin ana metninde belirtilmemesine rağmen, yayınlanan makale yayınlanmadan önce biraz revize edildi.

Bu arada, 1984 yazında Shechtman-Blech makalesinin taslağını gören John Cahn, Shechtman'ın deneysel sonuçlarının daha uygun bir bilimsel dergide hızlı bir şekilde yayınlanmasını hak ettiğini öne sürdü. Shechtman kabul etti ve geriye dönüp baktığında bu hızlı yayını "kazanan bir hamle" olarak nitelendirdi. Fiziksel İnceleme Mektupları (PRL),[7] Shechtman'ın gözlemini tekrarladı ve orijinal Shechtman-Blech kağıdıyla aynı illüstrasyonları kullandı. Metalurjik İşlemler A. Basılı olarak ilk çıkan PRL kağıdı bilim camiasında büyük bir heyecan yarattı.

Gelecek yıl Ishimasa et al. Ni-Cr parçacıklarında on iki kat simetri bildirdiler.[16] Kısa süre sonra, V-Ni-Si ve Cr-Ni-Si alaşımlarında sekiz kat kırınım deseni kaydedildi.[17] Yıllar içinde, çeşitli kompozisyonlara ve farklı simetrilere sahip yüzlerce yarı kristal keşfedildi. İlk yarı kristalli malzemeler termodinamik olarak kararsızdı - ısıtıldıklarında düzenli kristaller oluşturdular. Bununla birlikte, 1987'de, birçok kararlı yarı kristalin ilki keşfedildi, bu da çalışma için büyük numuneler üretmeyi ve potansiyel uygulamalara kapı açmayı mümkün kıldı. Neredeyse eşzamanlı olarak Paul Steinhardt (Princeton Üniversitesi ) doğada bir kuasikristal bulma olasılığını varsaydı, bir tanıma yöntemi geliştirdi, 2001'de Physical Review Letters'da yayınlandı ve dünyanın tüm mineralojik koleksiyonlarını kötü kataloglanmış kristalleri tanımlamaya davet etti. 2007'de Steinhardt, Luca Bindi (Floransa Üniversitesi ), Florence Mineralogical Collection'da kuasikristal özelliklere sahip neredeyse mükemmel bir eşleşme kristali bulduğunu belirten, orijinal olarak Khatyrka. Böylece 2008'de kristal numuneler diğer testler için Princeton Üniversitesi'ne gönderildi ve 2009 Yeni Yıl Arifesinde Steinhardt, büyük keşfi Luca Bindi'ye ileten son kanıt olan tüten silahı aldı. Diğer çalışmalardan sonra, bulunan kuasikristalin dünya dışı ve 4,57 mld eski olduğu belirtildi. 2011 yılında Bindi, Steinhardt ve bir uzman ekibi, Khatyrka nehri çevresindeki ıssız topraklarda bir keşif gezisi yaptı. Chukotka Otonom Okrugu diğer doğal kuasikristal örneklerini bulmayı başarmak.[5] Bu doğal kuasikristal, en iyi yapay örneklere eşit olarak yüksek kristal kalitesi sergiler.[18] Al bileşimi ile doğal kuasikristal faz63Cu24Fe13, adlandırıldı icosahedrite ve tarafından onaylandı Uluslararası Mineraloji Derneği Ayrıca, analiz, muhtemelen karbonlu bir kondrit asteroidden taşınan, kökeninde meteoritik olabileceğini gösteriyor.[19]

Doğal Al'nin mikron büyüklüğünde bir tanesinin atomik görüntüsü71Ni24Fe5 Khatyrka göktaşından gelen kuasikristal (ekte gösterilmiştir). Karşılık gelen kırınım desenleri on kat simetri ortaya çıkarır.[20]

Khatyrka göktaşları üzerinde yapılan bir başka çalışma, on kat simetriye ve Al kimyasal formülüne sahip başka bir doğal kuasikristalin mikron büyüklüğünde taneciklerini ortaya çıkardı.71Ni24Fe5. Bu kuasikristal, ortam basıncında 1120 ila 1200 K gibi dar bir sıcaklık aralığında stabildir, bu da doğal yarı kristallerin, çarpma ile indüklenen bir şok sırasında ısıtılan bir göktaşının hızla söndürülmesiyle oluştuğunu gösterir.[20]

Elektron kırınım modeli bir ikozahedralin Ho – Mg – Zn kuasikristal

1972'de de Wolf ve van Aalst[21] bir kristal tarafından üretilen kırınım modelinin sodyum karbonat üç endeksle etiketlenemez, ancak bir tane daha gereklidir, bu da temel yapının içinde dört boyuta sahip olduğu anlamına gelir. karşılıklı boşluk. Başka şaşırtıcı vakalar da rapor edildi.[22] ama yarı kristal kavramı oluşturulana kadar bunlar açıklandı veya reddedildi.[23][24] Ancak, 1980'lerin sonunda bu fikir kabul edilebilir hale geldi ve 1992'de Uluslararası Kristalografi Birliği bir kristalin tanımını değiştirdi, Shechtman'ın bulgularının bir sonucu olarak onu genişletti, onu net bir kırınım modeli üretme kabiliyetine indirgedi ve sıralamanın periyodik veya periyodik olmayan olasılığını kabul etti.[6][notlar 1] Şimdi, ötelemelerle uyumlu simetriler, diğer "kristalografik olmayan" simetrilere yer bırakarak "kristalografik" olarak tanımlanır. Bu nedenle, periyodik olmayan veya yarı periyodik yapılar iki ana sınıfa ayrılabilir: orantısız olarak modüle edilmiş yapıların ve kompozit yapıların ait olduğu kristalografik nokta grubu simetrisine sahip olanlar ve yarı kristal yapıların ait olduğu kristalografik olmayan nokta grubu simetrisine sahip olanlar.

Başlangıçta maddenin yeni biçimine "Shechtmanite" adı verildi.[25] "Kuasikristal" terimi ilk olarak baskıda Steinhardt ve Levine[26] Shechtman'ın makalesi yayımlandıktan kısa bir süre sonra. yarı kristalli zaten kullanımdaydı, ancak şimdi sıra dışı simetriye sahip herhangi bir desene uygulanmaya başlandı.[notlar 2] Ortaçağ İslam mimarları tarafından yapılan bazı dekoratif döşemelerde 'yarı periyodik' yapıların görüldüğü iddia edildi.[27][28] Örneğin, Girih çinileri bir ortaçağ İslami camisinde İsfahan İran, iki boyutlu yarı kristal bir modelde düzenlenmiştir.[29] Ancak bu iddialar bazı tartışmalara girdi.[30]

Shechtman, Nobel Kimya Ödülü 2011 yılında yarı kristallerle ilgili çalışması için. Nobel Komitesi, "Yarı kristalleri keşfi, atomların ve moleküllerin paketlenmesi için yeni bir ilkeyi ortaya çıkardı" ve "bunun kimya içinde bir paradigma değişimine yol açtığını" belirtti.[6][31] 2014 yılında Post of Israel, yarı kristallere ve 2011 Nobel Ödülü'ne adanmış bir pul yayınladı.[32]

2009'un başlarında, ince film kuasikristallerinin şu şekillerde oluşturulabileceği bulundu: kendi kendine montaj bir hava-sıvı arayüzünde tek biçimli, nano boyutlu moleküler birimler.[33] Daha sonra bu birimlerin sadece inorganik değil aynı zamanda organik de olabileceği gösterildi.[34]

2018'de Brown Üniversitesi'nden kimyagerler, garip şekilli bir kuantum noktaya dayanan kendi kendini inşa eden bir kafes yapısının başarılı bir şekilde yaratıldığını duyurdu. Tek bileşenli kuasikristal kafesler daha önce matematiksel olarak ve bilgisayar simülasyonlarında tahmin edilirken,[35] bundan önce ispatlanmamışlardı.[36]

Matematik

Bir 5 küp olarak Ortografik projeksiyon kullanarak 2D'ye Petrie poligonu temel vektörler bir difraktogram üzerine bindirilmiş ikosahedral Ho-Mg-Zn kuasikristal
Bir 6 küp içine yansıdı eşkenar dörtgen triacontahedron kullanmak altın Oran içinde temel vektörler. Bu, periyodik olmayan şeyleri anlamak için kullanılır. ikosahedral yarı kristallerin yapısı.

Yarı kristal kalıpları matematiksel olarak tanımlamanın birkaç yolu vardır. Bir tanım olan "kes ve projelendir" inşası, Harald Bohr (matematikçi kardeşi Niels Bohr ). Bir kavramı neredeyse periyodik fonksiyon (yarı periyodik işlev olarak da adlandırılır)[kaynak belirtilmeli ] Bohr, Bohl ve Escanglon'un çalışmaları da dahil olmak üzere incelendi.[37]Bir üst uzay kavramını ortaya attı. Bohr, yarı periyodik fonksiyonların, yüksek boyutlu periyodik fonksiyonların irrasyonel bir dilimle (bir veya daha fazla kesişme noktası) kısıtlamaları olarak ortaya çıktığını gösterdi. hiper düzlemler ) ve Fourier nokta spektrumunu tartıştı. Bu işlevler tam olarak periyodik değildir, ancak bir anlamda keyfi olarak birbirine yakındırlar ve tam olarak periyodik bir işlevin projeksiyonudur.

Yarıikristalin kendisinin periyodik olmayan olması için, bu dilim herhangi bir kafes düzlemi yüksek boyutlu kafesin. De Bruijn bunu gösterdi Penrose döşemeleri iki boyutlu beş boyutlu dilimler olarak görülebilir hiperkübik yapılar.[38] Eşdeğer olarak, Fourier dönüşümü böyle bir kuasikristalin değeri sıfırdan farklıdır, yalnızca yoğun bir nokta kümesinde yayılmış sonlu bir kümenin tam sayı katları ile temel vektörler (ilkel olanın izdüşümleri karşılıklı kafes yüksek boyutlu kafes vektörleri).[39]Basit model periyodik olmayan döşemelerden elde edilen sezgisel düşünceler resmi olarak şu kavramlarda ifade edilir: Meyer ve Delone setleri. Fiziksel kırınımın matematiksel karşılığı, Fourier dönüşümü ve bir kırınım resminin 'net kesim' veya 'keskin' olarak nitel tanımı, tekilliklerin Fourier'de mevcut olduğu anlamına gelir. spektrum. Model yarı kristalleri oluşturmak için farklı yöntemler vardır. Bunlar, kırınım özelliği için ek kısıtlama ile periyodik olmayan döşemeler üreten yöntemlerin aynısıdır. Böylece, bir ikame döşeme özdeğerler ikame matrisinin Pisot numaraları. Kes-ve-projelendir yöntemi ile elde edilen periyodik olmayan yapılar, konstrüksiyon için uygun bir yön seçilerek kırınımlı hale getirilir; bu, fizikçiler için de büyük bir çekiciliği olan geometrik bir yaklaşımdır.

Klasik kristal teorisi, kristalleri, her noktanın kristalin özdeş birimlerinden birinin kütle merkezi olduğu nokta kafeslere indirgemektedir. Kristallerin yapısı, ilişkili bir tanımlanarak analiz edilebilir. grup. Quasicrystals ise birden fazla tipte birimden oluşur, bu nedenle kafesler yerine quasilattisler kullanılmalıdır. Gruplar yerine grupoidler grupların matematiksel genellemesi kategori teorisi, yarı kristalleri incelemek için uygun araçtır.[40]

Kuasikristal yapıların inşası ve analizi için matematiği kullanmak çoğu deneyci için zor bir iştir. Bununla birlikte, mevcut yarı kristal teorilerine dayanan bilgisayar modellemesi, bu görevi büyük ölçüde kolaylaştırdı. Gelişmiş programlar geliştirildi[41] kuasikristal yapıları ve kırınım modellerini oluşturmaya, görselleştirmeye ve analiz etmeye izin verir. Yarıikristallerin periyodik olmayan doğası, elektronik yapı gibi fiziksel özelliklerin teorik çalışmalarını, uygulanamazlığı nedeniyle zorlaştırabilir. Bloch teoremi. Bununla birlikte, yarı kristallerin spektrumları hala hata kontrolü ile hesaplanabilir.[42]

Kuasikristallerin incelenmesi ile ilgili en temel kavramlara ışık tutabilir. kuantum kritik nokta Içinde gözlemlenen ağır fermiyon metaller. Altın-alüminyum-iterbiyum kuasikristalindeki deneysel ölçümler, bir kuantum kritik noktasını ortaya çıkarmıştır. manyetik alınganlık sıcaklık sıfıra yaklaşırken.[43] Bazı kuasikristallerin elektronik sisteminin ayar yapılmadan kuantum kritik bir noktada konumlandırıldığı, yarı kristallerin ise tipik ölçekleme davranışı onların termodinamik özellikler ve iyi bilinen ağır fermiyon metalleri ailesine aittir.

Malzeme bilimi

Bir düzlemin düzenli beşgenlerle döşenmesi imkansızdır, ancak beşgen on iki yüzlü şeklinde bir küre üzerinde gerçekleştirilebilir.
Bir Ho-Mg-Zn dodekahedral yarı kristal beşgen olarak oluşturulmuş dodecahedron, çift of icosahedron. Benzerinin aksine Pyritohedron bazı kübik sistem kristallerinin şekli pirit, kuasikristalin gerçek düzenli beşgen yüzleri vardır
TiMn yarı kristal yaklaşık kafes.

Orijinal keşiften beri Dan Shechtman, yüzlerce yarı kristal rapor edildi ve onaylandı. Şüphesiz, yarı kristaller artık benzersiz bir katı formu değildir; birçok metalik alaşımda ve bazı polimerlerde evrensel olarak bulunurlar. Kuasikristaller en çok alüminyum alaşımlarında (Al-Li-Cu, Al-Mn-Si, Al-Ni-Co, Al-Pd-Mn, Al-Cu-Fe, Al-Cu-V, vb.) Bulunur, ancak çok sayıda başka bileşim de bilinmektedir (Cd-Yb, Ti-Zr-Ni, Zn-Mg-Ho, Zn-Mg-Sc, In-Ag-Yb, Pd-U-Si, vb.).[44]

İki tür yarı kristal bilinmektedir.[41] Birinci tip, çokgen (iki yüzlü) yarı kristallerin ekseni 8, 10 veya 12 kat yerel simetriye sahiptir (sırasıyla sekizgen, ongen veya onikagonal yarı kristaller). Bu eksen boyunca periyodiktir ve ona normal düzlemlerde yarı periyodiktir. İkinci tip, ikozahedral yarı kristaller, her yönde periyodik değildir.

Quasicrystals, üç farklı termal stabiliteye ayrılır:[45]

  • Yavaş soğutma ile büyütülen kararlı yarı kristaller veya döküm müteakip tavlama,
  • Tarafından hazırlanan yarı kararlı yarı kristaller eriyik eğirme, ve
  • Tarafından oluşturulan yarı kararlı yarı kristaller kristalleşme of amorf evre.

Al – Li – Cu sistemi haricinde, tüm kararlı yarı kristallerde, aşağıdaki gibi, neredeyse kusur ve düzensizlik yoktur. Röntgen ve elektron kırınımı Si gibi mükemmel kristaller kadar keskin tepe genişlikleri ortaya çıkarır. Kırınım desenleri beş, üç ve iki kat simetri sergiler ve yansımalar yarı periyodik olarak üç boyutta düzenlenir.

Stabilizasyon mekanizmasının kökeni, kararlı ve yarı kararlı yarı kristaller için farklıdır. Bununla birlikte, kuasikristal oluşturan sıvı alaşımların çoğunda veya bunların yetersiz soğutulmuş sıvılarında gözlemlenen ortak bir özellik vardır: yerel bir ikosahedral düzen. İkosahedral düzen, sıvı hal kararlı dörtlü kristaller için ikosahedral düzen, az soğutulmuş sıvı hal yarı kararlı yarı kristaller için.

Asil metallerle alaşımlanmış Zr-, Cu- ve Hf bazlı dökme metalik camlarda nano ölçekli bir ikosahedral faz oluşturuldu.[46]

Yarı kristallerin çoğu, yüksek termal ve elektrik direnci, sertlik ve kırılganlık, korozyona direnç ve yapışmaz özellikler gibi seramik benzeri özelliklere sahiptir.[47] Birçok metalik kuasikristalin madde, bunların çoğu uygulama için pratik değildir. termal kararsızlık; 700 ° C'ye kadar termal olarak kararlı olan Al-Cu-Fe üçlü sistemi ve Al-Cu-Fe-Cr ve Al-Co-Fe-Cr kuaterner sistemleri dikkate değer istisnalardır.

Başvurular

Kuasikristalin maddeler çeşitli şekillerde potansiyel uygulamalara sahiptir.

Metalik kuasikristalin kaplamalar aşağıdaki yöntemlerle uygulanabilir: plazma kaplama veya magnetron püskürtme. Çözülmesi gereken bir sorun, malzemelerin aşırı kırılganlığından dolayı çatlama eğilimidir.[47] Çatlama, numune boyutlarının veya kaplama kalınlığının azaltılmasıyla bastırılabilir.[48] Son araştırmalar, tipik olarak kırılgan kuasikristallerin, oda sıcaklığında ve mikrometre altı ölçeklerde (<500 nm)% 50'den fazla suşta kayda değer süneklik sergileyebileceğini göstermektedir.[48]

Düşük sürtünmeli Al-Cu-Fe-Cr kuasikristallerinin kullanılması bir uygulama idi[49] kaplama olarak kızartma tavaları. Yiyecekler ona olduğu kadar yapışmadı paslanmaz çelik tavayı ılımlı yapmak yapışmaz ve temizlenmesi kolaydır; ısı transferi ve dayanıklılık daha iyiydi PTFE yapışmaz tencere ve tava perflorooktanoik asit (PFOA); yüzey çok sertti, paslanmaz çelikten on kat daha sert olduğu iddia edildi ve metal kaplar veya temizlikten zarar görmedi. bulaşık makinesi; ve tava zarar vermeden 1.000 ° C (1.800 ° F) sıcaklığa dayanabilir. Bununla birlikte, çok fazla tuzla yemek pişirmek, kullanılan yarı kristalli kaplamayı aşındırır ve tavalar sonunda üretimden çekilir. Shechtman'da bu tavalardan biri vardı.[50]

Nobel alıntı, yarı kristallerin kırılgan olmakla birlikte çeliği "zırh gibi" güçlendirebileceğini söyledi. Shechtman'a, kuasikristallerin potansiyel uygulamaları sorulduğunda, küçük yarı kristal parçacıklarla güçlendirilen çökelme ile sertleştirilmiş bir paslanmaz çelik üretildiğini söyledi. Aşındırmaz ve son derece güçlüdür, tıraş bıçakları ve cerrahi aletler için uygundur. Küçük yarı kristal parçacıklar, malzemedeki dislokasyon hareketini engeller.[50]

Quasicrystals ayrıca ısı yalıtımı geliştirmek için de kullanılıyordu. LED'ler, dizel motorlar ve ısıyı elektriğe dönüştüren yeni malzemeler. Shechtman, düşük sürtünme katsayısından ve bazı yarı kristalli malzemelerin sertliğinden yararlanan yeni uygulamalar önerdi, örneğin, güçlü, dayanıklı, düşük sürtünmeli plastik dişliler yapmak için partikülleri plastiğe gömmek. Bazı yarı kristallerin düşük ısı iletkenliği, onları ısı yalıtımlı kaplamalar için iyi kılar.[50]

Diğer potansiyel uygulamalar arasında güç dönüşümü için seçici güneş emiciler, geniş dalga boylu reflektörler ve biyouyumluluk, düşük sürtünme ve korozyon direncinin gerekli olduğu kemik onarımı ve protez uygulamaları bulunur. Magnetron püskürtme, Al-Pd-Mn gibi diğer kararlı yarı kristalli alaşımlara kolaylıkla uygulanabilir.[47]

Shechtman, doğada bulunan ilk yarı kristal olan ikosahedritin keşfinin önemli olduğunu söylerken, hiçbir pratik uygulama görmedi.

Ayrıca bakınız

Notlar

  1. ^ Kavramı periyodik olmayan kristal tarafından icat edildi Erwin Schrödinger biraz farklı bir anlamı olan başka bir bağlamda. Popüler kitabında Hayat nedir? 1944'te Schrödinger, kalıtsal bilginin nasıl saklandığını açıklamaya çalıştı: moleküller çok küçük kabul edildi, amorf katılar açıkça kaotikti, bu yüzden bir tür kristal olması gerekiyordu; periyodik bir yapı çok az bilgiyi kodlayabildiğinden, periyodik olmayan olması gerekiyordu. DNA daha sonra keşfedildi ve kristalin olmasa da Schrödinger tarafından öngörülen özelliklere sahip - düzenli ama periyodik olmayan bir moleküldür.
  2. ^ Bir yapıyı nitelendirmek için "yarı kristal" sıfatının kullanımı 1940-50'lerin ortalarına kadar izlenebilir, örneğin:
    • Kratky, O .; Porod, G. (1949). "Kolloid sistemlerde x-ışınlarının küçük açılı saçılmasını dağıtın". Kolloid Bilimi Dergisi. 4 (1): 35–70. doi:10.1016 / 0095-8522 (49) 90032-X. PMID  18110601.
    • Gunn, R. (1955). "Aerosollerin iyonik difüzyon ile istatistiksel elektrifikasyonu". Kolloid Bilimi Dergisi. 10: 107–119. doi:10.1016/0095-8522(55)90081-7.

Referanslar

  1. ^ Ünal, B; V. Fournée; K.J. Schnitzenbaumer; C. Ghosh; C.J. Jenks; A.R. Ross; T.A. Lograsso; J.W. Evans; P.A. Thiel (2007). "Beş katlı Al-Pd-Mn kuasikristal yüzeyler üzerinde Ag adalarının çekirdeklenmesi ve büyümesi: Ada yoğunluğunun sıcaklık ve akıya bağlılığı". Fiziksel İnceleme B. 75 (6): 064205. Bibcode:2007PhRvB..75f4205U. doi:10.1103 / PhysRevB.75.064205.
  2. ^ Alan L. Mackay, "De Nive Quinquangula", Krystallografiya, Cilt. 26, 910–9 (1981).
  3. ^ Alan L. Mackay, "Crystallography and the Penrose Pattern", Physica 114 A, 609 (1982).
  4. ^ Steurer W. (2004). "Yarı kristaller üzerine yirmi yıllık yapı araştırması. Bölüm I. Beşgen, sekizgen, ongen ve onikagonal yarı kristaller". Z. Kristallogr. 219 (7–2004): 391–446. Bibcode:2004ZK .... 219..391S. doi:10.1524 / zkri.219.7.391.35643.
  5. ^ a b Bindi, L .; Steinhardt, P. J .; Yao, N .; Lu, P.J. (2009). "Doğal Kuasikristaller". Bilim. 324 (5932): 1306–9. Bibcode:2009Sci ... 324.1306B. doi:10.1126 / science.1170827. PMID  19498165. S2CID  14512017.
  6. ^ a b c Gerlin, Andrea (5 Ekim 2011). "Tecnion'dan Shechtman, Quasicrystals Keşfi İçin Kimyada Nobel Kazandı". Bloomberg. Arşivlenen orijinal Aralık 5, 2014. Alındı 4 Ocak 2019.
  7. ^ a b Shechtman, D .; Blech, I .; Gratias, D .; Cahn, J. (1984). "Uzun Menzilli Oryantasyon Düzeni Olan ve Translasyonel Simetrisi Olmayan Metalik Faz". Fiziksel İnceleme Mektupları. 53 (20): 1951–1953. Bibcode:1984PhRvL..53.1951S. doi:10.1103 / PhysRevLett.53.1951.
  8. ^ "Nobel Kimya Ödülü 2011". Nobelprize.org. Alındı 2011-10-06.
  9. ^ a b Yeni Bir Bilim Türü [1]
  10. ^ Mackay, A.L. (1982). "Kristalografi ve Penrose Modeli". Physica A. 114 (1): 609–613. Bibcode:1982PhyA..114..609M. doi:10.1016/0378-4371(82)90359-4.
  11. ^ Kramer, P .; Neri, R. (1984). "E'nin periyodik ve periyodik olmayan boşluk doldurmalarındam projeksiyonla elde edilir ". Açta Crystallographica A. 40 (5): 580–587. doi:10.1107 / S0108767384001203.
  12. ^ "QC Sıcak Haberleri". Arşivlenen orijinal 2011-10-07 tarihinde.
  13. ^ Yang, C.Y. (1979). "Dekahedral ve ikosahedral parçacıkların kristalografisi". J. Cryst. Büyüme. 47 (2): 274–282. Bibcode:1979JCrGr..47..274Y. doi:10.1016/0022-0248(79)90252-5.
  14. ^ Yang, C. Y .; Yacaman, M. J .; Heinemann, K. (1979). "Dekahedral ve ikosahedral parçacıkların kristalografisi". J. Cryst. Büyüme. 47 (2): 283–290. Bibcode:1979JCrGr..47..283Y. doi:10.1016/0022-0248(79)90253-7.
  15. ^ Shechtman, Dan; I. A. Blech (1985). "Hızlı Katılaşan Al'ın Mikro Yapısı6Mn ". Metal Mater Trans A. 16A (6): 1005–1012. Bibcode:1985MTA .... 16.1005S. doi:10.1007 / BF02811670. S2CID  136733193.
  16. ^ Ishimasa, T .; Nissen, H.-U .; Fukano, Y. (1985). "Ni-Cr parçacıklarında kristal ve amorf arasındaki yeni düzenli durum". Fiziksel İnceleme Mektupları. 55 (5): 511–513. Bibcode:1985PhRvL..55..511I. doi:10.1103 / PhysRevLett.55.511. PMID  10032372.
  17. ^ Wang, N .; Chen, H .; Kuo, K. (1987). "Sekiz kat rotasyonel simetriye sahip iki boyutlu yarı kristal" (PDF). Fiziksel İnceleme Mektupları. 59 (9): 1010–1013. Bibcode:1987PhRvL..59.1010W. doi:10.1103 / PhysRevLett.59.1010. PMID  10035936.
  18. ^ Steinhardt, Paul; Bindi Luca (2010). "Bir zamanlar Kamçatka'da: doğal yarı kristallerin arayışı". Felsefi Dergisi. 91 (19–21): 1. Bibcode:2011PMag ... 91.2421S. CiteSeerX  10.1.1.670.9567. doi:10.1080/14786435.2010.510457. S2CID  120117070.
  19. ^ Bindi, Luca; John M. Eiler; Yunbin Guan; Lincoln S. Hollister; Glenn MacPherson; Paul J. Steinhardt; Nan Yao (2012-01-03). "Doğal bir yarı kristalin dünya dışı kökenine dair kanıt". Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı. 109 (5): 1396–1401. Bibcode:2012PNAS..109.1396B. doi:10.1073 / pnas.1111115109. PMC  3277151. PMID  22215583.
  20. ^ a b Bindi, L .; Yao, N .; Lin, C .; Hollister, L. S .; Andronicos, C. L .; Distler, V. V .; Eddy, M. P .; Kostin, A .; Kryachko, V .; MacPherson, G. J .; Steinhardt, W. M .; Yudovskaya, M .; Steinhardt, P.J. (2015). "Ongen simetriye sahip doğal yarı kristal". Bilimsel Raporlar. 5: 9111. Bibcode:2015NatSR ... 5E9111B. doi:10.1038 / srep09111. PMC  4357871. PMID  25765857.
  21. ^ de Wolf, R.M. ve van Aalst, W. (1972). "Γ-Na'nın dört boyutlu grubu2CO3". Açta Crystallogr. Bir. 28: S111.
  22. ^ Kleinert H. ve Maki K. (1981). "Kolesterik Sıvı Kristallerde Kafes Dokular" (PDF). Fortschritte der Physik. 29 (5): 219–259. Bibcode:1981ForPh..29..219K. doi:10.1002 / prop.19810290503.
  23. ^ Pauling, L (1987-01-26). "Sözde ikosahedral ve ongen yarı kristaller, 820 atomlu kübik kristalin ikizleridir". Fiziksel İnceleme Mektupları. 58 (4): 365–368. Bibcode:1987PhRvL..58..365P. doi:10.1103 / PhysRevLett.58.365. PMID  10034915.
  24. ^ Kenneth Chang (5 Ekim 2011). "İsrailli Bilim Adamı Nobel Kimya Ödülü'nü Kazandı". NY Times.
  25. ^ Browne, Malcolm W. (1989-09-05). Katı Madde Çalışmalarında "İmkansız" Madde Formu Dikkat Çekiyor ". New York Times.
  26. ^ Levine, Dov; Steinhardt, Paul (1984). "Quasicrystals: Yeni Bir Sıralı Yapılar Sınıfı". Fiziksel İnceleme Mektupları. 53 (26): 2477–2480. Bibcode:1984PhRvL..53.2477L. doi:10.1103 / PhysRevLett.53.2477.
  27. ^ Makovicky, E. (1992), Maragha, İran'dan 800 yıllık beşgen fayans ve yeni aperiodik fayans çeşitleri ilham verdi. In: I. Hargittai, editör: Fivefold Symmetry, s. 67–86. World Scientific, Singapur-Londra
  28. ^ Lu, Peter J. ve Steinhardt, Paul J. (2007). "Orta Çağ İslam Mimarisinde Ongen ve Yarı-kristalin Döşemeler" (PDF). Bilim. 315 (5815): 1106–1110. Bibcode:2007Sci ... 315.1106L. doi:10.1126 / science.1135491. PMID  17322056. S2CID  10374218. Arşivlenen orijinal (PDF) 2014-12-09 tarihinde. Alındı 2011-01-26.
  29. ^ Lu, P. J .; Steinhardt, P. J. (2007). "Ortaçağ İslam Mimarisinde Ongen ve Yarı-Kristalin Döşemeler". Bilim. 315 (5815): 1106–1110. Bibcode:2007Sci ... 315.1106L. doi:10.1126 / science.1135491. PMID  17322056. S2CID  10374218.
  30. ^ Makovicky Emil (2007). Orta Çağ İslam Mimarisinde Ongen ve Yarı-Kristal Döşemeler "Üzerine Yorum""" (PDF). Bilim. 318 (5855): 1383. Bibcode:2007Sci ... 318.1383M. doi:10.1126 / science.1146262. PMID  18048668. S2CID  54559297.
  31. ^ "Kristal keşfiyle Nobel kazandı". BBC haberleri. 2011-10-05. Alındı 2011-10-05.
  32. ^ Kristalografi önemlidir ... daha fazlası! iycr2014.org
  33. ^ Talapin, Dmitri V .; Shevchenko, Elena V .; Bodnarchuk, Maryna I .; Ye, Xingchen; Chen, Jun; Murray, Christopher B. (2009). "Kendinden birleştirilmiş ikili nanopartikül süper örgülerinde kuasikristalin düzen". Doğa. 461 (7266): 964–967. Bibcode:2009Natur.461..964T. doi:10.1038 / nature08439. PMID  19829378. S2CID  4344953.
  34. ^ Nagaoka, Yasutaka; Zhu, Hua; Eggert, Dennis; Chen, Ou (2018). "Esnek çokgen döşeme kuralı sayesinde tek bileşenli yarı kristalli nanokristal üst örtüler". Bilim. 362 (6421): 1396–1400. Bibcode:2018Sci ... 362.1396N. doi:10.1126 / science.aav0790. PMID  30573624.
  35. ^ Engel, Michael; Damasceno, Pablo F .; Phillips, Carolyn L .; Glotzer, Sharon C. (2014-12-08). "Tek bileşenli bir ikozahedral kuasikristalin hesaplamalı kendi kendine montajı". Doğa Malzemeleri. 14 (1): 109–116. doi:10.1038 / nmat4152. ISSN  1476-4660. PMID  25485986.
  36. ^ Chen, Ou; Eggert, Dennis; Zhu, Hua; Nagaoka, Yasutaka (2018-12-21). "Esnek çokgen döşeme kuralı sayesinde tek bileşenli yarı kristalli nanokristal üst örtüler". Bilim. 362 (6421): 1396–1400. Bibcode:2018Sci ... 362.1396N. doi:10.1126 / science.aav0790. ISSN  0036-8075. PMID  30573624.
  37. ^ Bohr, H. (1925). "Zur Theorie fastperiodischer Funktionen I". Acta Mathematica. 45: 580. doi:10.1007 / BF02395468.
  38. ^ de Bruijn, N. (1981). "Penrose'un düzlemin periyodik olmayan eğimlerinin cebirsel teorisi". Nederl. Akad. Wetensch. Proc. A84: 39.
  39. ^ Suck, Jens-Boie; Schreiber, M .; Häussler, Peter (2002). Quasicrystals: Yapıya, Fiziksel Özelliklere ve Uygulamalara Giriş. Springer Science & Business Media. s. 1–. ISBN  978-3-540-64224-4.
  40. ^ Paterson, Alan L.T. (1999). Grupoidler, ters yarı gruplar ve operatör cebirleri. Springer. s. 164. ISBN  978-0-8176-4051-4.
  41. ^ a b Yamamoto, Akiji (2008). "Yarı kristallerin yapı analizi için yazılım paketi". İleri Malzemelerin Bilimi ve Teknolojisi. 9 (1): 013001. Bibcode:2008STAdM ... 9a3001Y. doi:10.1088/1468-6996/9/3/013001. PMC  5099788. PMID  27877919.
  42. ^ Colbrook, Matthew; Roman, Bogdan; Hansen, Anders (2019). "Hata Kontrolü ile Spectra Nasıl Hesaplanır". Fiziksel İnceleme Mektupları. 122 (25): 250201. doi:10.1103 / PhysRevLett.122.250201. PMID  31347861.
  43. ^ Deguchi, Kazuhiko; Matsukawa, Shuya; Sato, Noriaki K .; Hattori, Taisuke; Ishida, Kenji; Takakura, Hiroyuki; Ishimasa, Tsutomu (2012). "Manyetik kuasikristalde kuantum kritik durum". Doğa Malzemeleri. 11 (12): 1013–6. arXiv:1210.3160. Bibcode:2012NatMa..11.1013D. doi:10.1038 / nmat3432. PMID  23042414. S2CID  7686382.
  44. ^ MacIá, Enrique (2006). "Bilim ve teknolojide periyodik olmayan düzenin rolü". Fizikte İlerleme Raporları. 69 (2): 397–441. Bibcode:2006RPPh ... 69..397M. doi:10.1088 / 0034-4885 / 69/2 / R03.
  45. ^ Tsai, Bir Pang (2008). "İkosahedral kümeler, ikosaheral düzen ve yarı kristallerin kararlılığı - bir metalurji görünümü". İleri Malzemelerin Bilimi ve Teknolojisi. 9 (1): 013008. Bibcode:2008STAdM ... 9a3008T. doi:10.1088/1468-6996/9/1/013008. PMC  5099795. PMID  27877926.
  46. ^ Louzguine-Luzgin, D. V .; Inoue, A. (2008). "Kuasikristallerin Oluşumu ve Özellikleri". Malzeme Araştırmalarının Yıllık Değerlendirmesi. 38: 403–423. Bibcode:2008 AnRMS..38..403L. doi:10.1146 / annurev.matsci.38.060407.130318.
  47. ^ a b c "Püskürtme tekniği çok yönlü yarı kristal kaplamalar oluşturur". MRS Bülteni. 36 (8): 581. 2011. doi:10.1557 / mrs.2011.190.
  48. ^ a b Zou, Yu; Kuczera, Pawel; Sologubenko, Alla; Sumigawa, Takashi; Kitamura, Takayuki; Steurer, Walter; Spolenak, Ralph (2016). "Küçük boyutlarda tipik olarak kırılgan yarı kristallerin üstün oda sıcaklığında sünekliği". Doğa İletişimi. 7: 12261. Bibcode:2016NatCo ... 712261Z. doi:10.1038 / ncomms12261. PMC  4990631. PMID  27515779.
  49. ^ Fikar, Ocak (2003). Mekanik spektroskopi ile incelenen Al-Cu-Fe kuasikristalin kaplamalar ve kompozitler. Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL, Tez n ° 2707 (2002). doi:10.5075 / epfl-tez-2707.
  50. ^ a b c Kalman, Matthew (12 Ekim 2011). "Quasicrystal Ödül Sahibi". MIT Technology Review. Alındı 12 Şubat 2016.

Dış bağlantılar