**موجود عجیبی به نام شبه کریستال: از کنترل امواج الکترومغناطیس تا افزایش استقامت ساختارها**

ریاضی‌دانان و مهندسین دانشگاه یوتا در همکاری با یکدیگر نشان دادند که امواج فراصوت می‌توانند ذرات کربن موجود در آب را سازماندهی کنند. این سازماندهی، الگوهایی را می‌سازد که هرگز تکرار نمی‌شوند. به گفته محققین این تیم، ایجاد این الگوها، منجر به تولید موادی می‌شود که شبه کریستال نام دارند و می‌توانند خاصیت مغناطیسی یا الکتریکی خاصی از خود بروز دهند.

**نقش‌های بدون الگو**

یک صفحه شطرنجی را در نظر بگیرید. می‌توانید یک مربع دو در دو از دو کاشی سیاه و دو کاشی سفید (یا قرمز) انتخاب کنید. سپس از این مربع به تعداد لازم کپی کرده و کنار هم بچسبانید تا کل صفحه پوشانده شود.

چنین ساختارهای دوره‌ای که دارای الگوهای تکراری هستند، به‌طور طبیعی درون بلورها موجود می‌باشند. مثلا یک دانه نمک را در نظر بگیرید. اگر دانه نمک را در سطح اتمی بررسی کنید، شبکه‌ای شبیه اتم‌های سدیم و کلرید مشاهده می‌کنید. شما می‌توانید یک قسمت خاص از این شبکه کریستالی را برداشته و سپس قسمت دیگری دقیقا همانند این قسمت را، در جای دیگر کریستال پیدا کنید.

اما ساختارهای شبه دوره‌ای متفاوت از ساختارهای دوره‌ای کریستال‌ها ظاهر می‌شوند. یک نمونه از ساختارهای شبه دوره‌ای، الگویی به نام کاشی‌کاری پنروز است. در نگاه اول، شاید احساس کنید که کاشی‌ها در یک الگوی منظم کنار هم قرار گرفته‌اند. اما اینطور نیست! اگر قسمتی از این الگو را کپی کرده و بخواهید همانند آن را در بخش دیگری پیدا کنید، هرگز موفق نخواهید بود.

پایداری مکانیکی برای جامدات ضروری است و معیار پایداری آن ممکن است به 75 سال قبل بازگردد. اخیراً شکل بسته شرایط لازم و کافی برای پایداری الاستیک در تمامی طبقات کریستالی مورد بررسی قرار گرفته است. شبه بلورها (QCs) جامداتی با نظم دوربرد و تقارن چرخشی ممنوع از نظر کریستالوگرافی اما بدون تقارن انتقالی هستند که در 30 سال گذشته توجهات شدیدی را به خود جلب کرده‌اند. در این کار، ما ثابت های الاستیک و پایداری الاستیک را برای QC های 1 بعدی، 2 بعدی و 3 بعدی به تفصیل بررسی کرده ایم. تمام ثابت‌های الاستیک مستقل و شکل بسته شرایط لازم و کافی برای پایداری الاستیک در تمام کلاس‌های QCs به‌عنوان یک مرجع مختصر و آموزشی به معیارهای پایداری در مواد غیرپریودیک به‌دست می‌آیند. در همین حال، موقعیت های تقارن و پیش بینی های استریوگرافی از هر کلاس QCs نیز ارائه شده است.

**خواص فیزیکی و کاربردها**

  

در حالی که ساختار و شکل‌گیری آن‌ها مورد توجه اساسی است، شبه بلورها همچنین خواص فیزیکی و شیمیایی منحصربه‌فردی را نشان می‌دهند که آنها را برای کاربردهای فناوری امیدوارکننده می‌سازد. رسانایی الکتریکی و گرمایی بهترین شبه بلورهای مرتب شده به طرز شگفت آوری کم است و بیشتر شبیه به نیمه هادی ها است تا آلیاژهای فلزی. مطالعات طیف‌سنجی تأیید می‌کند که این نتیجه چگالی کاهش‌یافته حالات در انرژی فرمی است، احتمالاً به دلیل شکاف کاذب ناشی از نظم شبه دوره‌ای. بازتاب نوری تقریباً ثابت مشاهده شده برای بسیاری از شبه بلورها، نزدیک به 60 درصد، برای طول موج‌های 300 نانومتر تا 15 میکرومتر با این مطابقت دارد. کاربردهای پیشنهادی بر اساس این ویژگی ها شامل آشکارسازهای مادون قرمز، جاذب های انتخابی برای مبدل های فتوترمال خورشیدی و عناصر فعال برای دستگاه های ترموالکتریک است.

همه شبه بلورها سخت و شکننده هستند. این مورد برای آلیاژهای فلزات واسطه با پیوندهای الکترون d که در برابر تغییرات زاویه و طول پیوند مقاوم هستند، انتظار می رود. ساختارهای نامتناسب شبه بلورها نیز در برابر حرکت نابجایی مقاومت می کنند و سختی را بیشتر می کنند و شکل پذیری را کاهش می دهند. سطوح شبه کریستالی تا حدی به دلیل سختی بالا، مقاوم در برابر سایش و اصطکاک کم هستند (احتمالاً به دلیل عدم تطابق مقیاس اتمی بین ساختار مواد شبه بلوری و کریستالی). آنها رفتار نچسب و مقاومت در برابر خوردگی بالاتری دارند. کاربردهای پوشش برخی از امیدوارکننده ترین کاربردها هستند. به عنوان مثال، به عنوان پوششی برای ظروف آشپزی تجاری، جایی که تفلون نمی تواند استفاده شود، به خوبی استفاده می شود. رسوبات شبه کریستالی برای سخت شدن پراکندگی مواد، احتمالاً با مهار حرکت نابجایی، خوب هستند.

شبه بلورهای Ti–Zr–Ni مقادیر فوق‌العاده‌ای از هیدروژن را ذخیره می‌کنند، تا دو اتم هیدروژن برای هر اتم فلز، احتمالاً به دلیل تعداد زیادی مکان‌های چهار وجهی در شبه‌شبکه، و شیمی آلیاژ مطلوب. مواد ارزان قیمت و جذب و دفع نسبتاً سریع در دمای بین 300 درجه سانتیگراد تا 350 درجه سانتیگراد، این سیستم ها را برای کاربردهای ذخیره سازی هیدروژن امیدوار کننده می کند. ظرفیت بارگیری شبه کریستال رقابتی است و هیدروژن را با درصد وزنی بالاتری نسبت به LaNi5 که معمولاً در باتری‌های هیدرید یا TiFe، یکی از امیدوارکننده‌ترین مواد برای کاربردهای ذخیره‌سازی هیدروژن ثابت استفاده می‌شود، جذب می‌کند.

جستارهای وابسته
---------------

**قدیمی‌ترین "شبه کریستال" زمین کشف شد**

دانشمندان یک "شبه کریستال"(Quasicrystal) متعلق به یک انفجار هسته‌ای در سال ۱۹۴۵ را یافته‌اند که می‌گویند این کشف جدید می‌تواند روزی به منع گسترش سلاح‌های هسته‌ای کمک کند.

محققان آزمایشگاه ملی "لوس آلاموس"(LANL)، آزمایشگاهی که در طول جنگ جهانی دوم برای طراحی سلاح‌های هسته‌ای به عنوان بخشی از "پروژه منهتن" تاسیس شد، "شبه کریستال" یا "شبه بلور" جدیدی را کشف کرده‌اند که در اثر اولین انفجار هسته‌ای در سایت ترینیتی در نیومکزیکو در شانزدهم ژوئیه ۱۹۴۵ ایجاد شده است.

شبه بلور یا شبه کریستال نوعی شکل ساختاری منظم فاقد تناوب تکراری است. این ساختارها، الگوهایی را تشکیل می‌دهند که همه فضاهای شبکه بلوری را حتی در صورت وجود نقض تقارنی پر کنند.

نویسندگان این مطالعه اظهار داشتند که این کشف جدید، چارچوب ایجاد شبه کریستال توسط یک سلاح هسته‌ای در زمینه فرآیندهای فیزیکی انجام شده طی صدها میلیون سال در اعماق فضا را مشخص می‌کند.

بنابراین، این نمونه می‌تواند به نسل‌های آینده کمک کند تا زنجیره حوادثی را که انفجارهای هسته‌ای به راه انداخته‌اند، بهتر درک کنند. به گفته محققان این مطالعه، این بینش می‌تواند به منع گسترش سلاح‌های هسته‌ای در آینده کمک شایانی کند.

این شبه کریستال که به تازگی پیدا شده است، در حال حاضر قدیمی‌ترین شبه‌کریستال ساخته شده توسط بشر است و تاریخ ایجاد آن به ۱۶ ژوئیه ۱۹۴۵ بازمی‌گردد.

"تری سی والاس" مدیر آزمایشگاه ملی "لوس آلاموس" و از نویسندگان این مقاله در مورد این کشف توضیح داد: شناخت سلاح‌های هسته‌ای کشورهای دیگر مستلزم آن است که ما درک درستی از برنامه‌های آزمایش هسته‌ای آنها داشته باشیم. ما به طور معمول بقایای رادیواکتیو و گازها را تجزیه و تحلیل می‌کنیم تا بفهمیم که این سلاح‌ها چگونه ساخته شده‌اند و یا چه موادی در آنها موجود است، اما این نشانه‌ها از بین می‌روند. در حالی که یک شبه‌کریستال که در محل انفجار هسته‌ای تشکیل می‌شود، می‌تواند به طور بالقوه انواع جدیدی از اطلاعات را برای ما فاش کند.

محققان در مطالعه خود توضیح دادند که این شبه کریستال دارای تقارن چرخشی ۵ تایی است که در یک کریستال طبیعی غیرممکن است. این شبه کریستال، قدیمی‌ترین شبه کریستال ساخته شده توسط بشر است.

این شبه کریستال یک محصول جانبی تصادفی حاصل از اولین آزمایش بمب اتم موسوم به "بمب ترینیتی" است که باعث شد همه چیز در منطقه آزمایش با خاک یکسان شود.

برای آزمایش "بمب ترینیتی" یک دستگاه هسته‌ای به نام "گجت" در بالای یک برج فولادی قرار گرفت و در حالی که دانشمندان "پروژه منهتن" از فاصله‌ای ایمن در حال تماشا بودند، منفجر شد و گلوله آتش حاصل از انفجار به ایجاد یک ابر قارچ شکل به قطر ۱۲.۲ کیلومتر منجر شد!

گفتنی است که این کشف جدید به این معنی است که این شبه کریستال در ۱۶ ژوئیه ۱۹۴۵، سال‌ها قبل از کشف شبه کریستال‌ها توسط جامعه علمی در سال ۱۹۸۰ تشکیل شده است.

ایجاد شبه کریستال‌ها قدرت انفجارهای هسته‌ای را نشان می‌دهد. در سال ۲۰۱۶، محققان دانشگاه "فلورانس" در نمونه‌ای از شهاب‌سنگ "خاتیرکا"(Khatyrka) که در روسیه پیدا شده بود و قدمت آن صدها میلیون سال است، شبه کریستال کشف کردند.

بر اساس گزارش محققان، این سیارک قبل از رسیدن به زمین، سابقه‌ای طولانی در برخوردهای شدید داشته که منجر به تجربه فشار بیش از پنج گیگاپاسکال در دمای ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد شده است.

محققان این مقاله جدید درباره "شبه کریستال ترینیتی" نوشتند که این نمونه تازه کشف شده در حال حاضر اسراری را درون خود پنهان دارد که توسط دانشمندان نسل آینده با فناوری‌های پیشرفته‌تر فاش خواهد شد.

"والاس" توضیح داد: این شبه کریستال از لحاظ پیچیدگی بسیار باشکوه است، اما هنوز هیچ کس نمی‌تواند به ما بگوید که چرا به این شکل تشکیل شده است.

وی افزود: اما روزی دانشمند یا مهندسی حقایق پنهان آن را کشف خواهد کرد و ما برای ایجاد آن توضیح ترمودینامیک در اختیار خواهیم داشت. پس امیدوارم آن زمان بتوانیم از این دانش برای درک بهتر انفجارهای هسته‌ای استفاده کنیم و در نهایت به تصویر کامل‌تری از آنچه در آزمایش‌های هسته‌ای رخ می‌دهد، برسیم.

تصاویر میکروسکوپی از ساختارهای شبه بلوری
دان شختمن، محققی از Technion، بخشی از موسسه فناوری اسرائیل، و همکارانش در دفتر ملی استانداردها (در حال حاضر موسسه ملی استانداردها و فناوری) در Gaithersburg، Md.، شبه بلورها را در سال 1984 کشف کردند. یک برنامه تحقیقاتی نیروی هوایی ایالات متحده از تحقیقات خود در مورد خواص متالورژیکی آلیاژهای آلومینیوم-آهن و آلومینیوم-منگنز حمایت کرد. شختمن و همکارانش آلومینیوم و منگنز را به نسبت شش به یک مخلوط کردند و آن را حرارت دادند تا ذوب شود. سپس مخلوط به سرعت با ریختن مایع روی چرخ چرخان سرد به حالت جامد برگردانده شد، فرآیندی که به عنوان ریسندگی مذاب شناخته می شود. هنگامی که آلیاژ جامد شده با استفاده از میکروسکوپ الکترونی مورد بررسی قرار گرفت، ساختار جدیدی آشکار شد. این تقارن پنج برابری را نشان داد که در کریستال ها ممنوع است و نظم دوربردی که در جامدات بی شکل وجود ندارد. بنابراین، نظم آن نه بی شکل بود و نه بلوری. بسیاری از آلیاژهای دیگر با همین ویژگی‌ها متعاقباً تولید شدند.

میکروسکوپ الکترونی نقش مهمی در بررسی شبه بلورها ایفا کرده است. این ابزار همه کاره ای است که می تواند بسیاری از جنبه های مهم ساختار ماده را بررسی کند. میکروسکوپ الکترونی روبشی با وضوح پایین، اشکال تک تک دانه‌ها را بزرگ‌نمایی می‌کند. تقارن دانه های جامد اغلب منعکس کننده تقارن های داخلی موقعیت های اتمی زیرین است. به عنوان مثال، دانه های نمک به شکل مکعبی مطابق با تقارن مکعبی شبکه های کریستالی خود هستند. آلومینیوم- مس-آهن شبه بلوری با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی تصویربرداری شده است که شکل دوازده وجهی پنج ضلعی دانه ها را نشان می دهد. 12 وجه آن پنج ضلعی منظم هستند که محورهایی با تقارن دورانی پنج برابری از آنها عبور می کنند. یعنی چرخش های 72 درجه حول این محور ظاهر دانه را بدون تغییر می گذارد. در یک چرخش کامل 360 درجه، دانه پنج بار، یک بار در هر 72 درجه، ظاهر خود را تکرار می کند. همچنین محورهای تقارن دورانی دوگانه از لبه ها و محورهای تقارن چرخشی سه برابری که از رئوس عبور می کنند وجود دارد. این همچنین به عنوان تقارن ایکوس وجهی شناخته می شود زیرا ایکوز وجهی دوگانه هندسی دوازده وجهی پنج ضلعی است. دوازده وجهی در مرکز هر وجه بر روی یک ایکو وجهی، یک راس قرار می دهد و بالعکس. تقارن دوازده وجهی پنج ضلعی یا ایکوز وجهی جزو تقارن های هیچ ساختار بلوری نیست، با این حال این تقارنی است که در تصویر میکروسکوپ الکترونی آلیاژ آلومینیوم- منگنز تولید شده توسط شختمن و همکارانش آشکار شد.

**شبه بلورها زمانی غیرممکن بودند. دانشمندان به تازگی بزرگترین دستگاه را ساخته اند.**

برای چندین دهه، دانشمندان شبه بلورها را غیرممکن می دانستند. بلورهای معمولی با آرایش اتم های تکرار شونده آن ها مشخص می شوند - چه در تقارن سه یا چهار برابر - اما شبه بلورها می توانند حاوی تقارن های پنج برابری باشند که دقیقاً تکرار نمی شوند (از این رو شبه)، اما در عوض شکاف ها را با اشکال غیرپنج ضلعی پر می کنند. به عبارت دیگر، آنها چیزهای عجیبی از دنیای کریستال هستند.

آنها در واقع غیرممکن بودند تا اینکه دانشمند اسرائیلی دانیل شختمن در 8 آوریل 1982 آنها را زیر میکروسکوپ مشاهده کرد. او حتی در آن زمان گفت که "هیچ موجودی نمی تواند وجود داشته باشد." جامعه علمی آنقدر مطمئن بود که این دسته از مواد عجیب و غریب نمی تواند وجود داشته باشد که شختمن با انتقادات گسترده ای روبرو شد - او گزارش داد که حتی از او خواسته شده است که گروه تحقیقاتی خود را در موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده که در آنجا این کشف را انجام داده است ترک کند. او به سرعت وارد گروه دیگری در مؤسسه ای شد که از تحقیقات او حمایت می کرد).

خوشبختانه برای Shechtman، اثبات به شکل جایزه نوبل در شیمی در سال 2011 رسید. از آن زمان، دانشمندان حتی برخی (اما نه تعداد زیادی) شبه بلورها را در طبیعت پیدا کردند.

منابع
-----

1. ↑
2. ↑  Journal: European Journal of Mechanics - A/Solids - Volume 65, SeptemberâOctober 2017, Pages 30-39
3. ↑
4. ↑  PNAS Journal
5. ↑
6. ↑