おそらく宇宙空間で形成されたこれらの神秘的な超希少結晶

数学 物理 準結晶 理科 対称
2016-06-14 09:00.
画像:リチャード・ヘニガン/ YouTube

準結晶は、原子が規則的なパターンで配置されているにもかかわらず、繰り返されることのない珍しい材料です。ほとんどはラボで人工的に作られています。これまでのところ、天然に存在する準結晶は1例しか発見されていません。そして今、物理学者はそれがどのように起こったかを理解したと信じています。

、今日発表された論文全米科学アカデミー紀要、カリフォルニア工科大学のPaul Asimowと彼の共著者はどのように記述する非常に強い衝撃波に一定の希少な材料を施すことは準結晶を生成します。彼らの結果は、小惑星帯での衝突中に、隕石として地球に落下する前に、準結晶が岩体に形成される可能性があることを示唆しています。

準結晶が特別な理由は何ですか?結晶は通常、正確に配列された原子によって定義され、格子(ハニカム)構造内で何度も繰り返される周期的なパターンを形成します。ただし、準結晶のセルは同じパターンで繰り返されません。隣接するセルには小さな変動があります。それでも、それらは有名なフィボナッチ数列に似た明確な数学的規則に従います。各数は、その前にある2つの数(1、1、2、3、5、8、13、21など)の合計です。

この種のパターンは、たとえばスペインのアルハンブラ宮殿の豪華な中世のモザイクで見ることができます。三角形、正方形、または六角形の形のタイルだけを使用して、浴室の床をタイル張りすることを考えてください。ギャップや重なり合うタイルはあり得ません。つまり、たとえば、五角形の5点対称は機能しません。明らかにそれができることを除いて、他の原子の形でギャップを埋めて、シバン全体をくっつける方法があれば。

1982年4月のダニエルシェヒトマンのノートからのページ。(画像:ノーベル賞財団)

準結晶は、1982年にイスラエルの物理学者Daniel Schechtman(当時はTechnion-Israel Institute of Technology)によって最初に発見されました。彼は、電子顕微鏡でアルミニウム-マンガン合金のサンプルを研究しており、その明らかな奇妙な非周期的パターンに気づきました。「 Eynchayakao(「そのような生き物はいない」)」と彼はヘブライ語でつぶやいた。それでもありました。

「結晶学のルールは1820年以来存在していました」とAsimowはGizmodoに語った。「それで、彼らが発見されたとき、彼らは完全に予想外でした。」

貧しいシェクトマンは仲間からの多くの嘲笑に耐えました—彼の研究室の長は彼に結晶学の教科書を再読するように皮肉を込めてアドバイスしました—そしてある時点で彼の研究グループを去るよう さえ頼まれました、しかし彼は最後の笑いを得ました。彼の発見は結晶学に革命を引き起こし、2011年のノーベル化学賞を受賞しました。それ以来、100種類以上の準結晶が世界中の研究所で製造されています。それらは、他の用途の中でも、焦げ付き防止調理器具、LEDライト、および手術器具で使用されます。

しかし、プリンストンの物理学者ポール・スタインハート博物館の岩石コレクションを調べているときに2007年に準結晶に遭遇するまで、誰も自然に発生する準結晶を発見しませんでした。彼はそれをロシアのコリャクス山に上陸した隕石まで追跡し、さらに準結晶サンプルを見つけるためにそこに遠征隊を結成しました。彼は、準結晶は文字通り宇宙から来たと結論付けました。

準結晶の完璧な五芒星。それは芸術ではありません。それが実際のデータです。(画像:Asimow et al。)

Asimowにとって、この驚くべき発見は2つの重要な問題を提起しました。まず、自然界で準結晶が形成される可能性すらあるのでしょうか。そして第二に、なぜそれらはめちゃくちゃ珍しいのですか?シュタインハルトがカティルカ隕石の粒子に奇妙なテクスチャー(鉄の金属ビーズの形で)を見つけたと述べたとき、彼は最初の手がかりを得ました。彼は、それらが衝撃圧縮実験中に材料に形成された種類のテクスチャーに非常に似ていると考えました。

衝撃圧縮とは、科学者が材料のサンプルを特殊な鋼製チャンバーに入れ、発射体を発射して、信じられないほど高い圧力をかけることです。これは、これらの材料が極端な環境でどのように動作するかを調査する手段です。

シュタインハルトの仮説はもっともらしいように思われました。なぜなら、科学者たちは、カチルカ隕石が地球に落下するずっと前に、おそらく太陽系の初期の小惑星帯の別の物体との衝突から、ある種の衝撃イベントを受けたとすでに判断していたからです。そこで、アシモウは、隕石に含まれるイコサヘドライトと組成が似ている銅-アルミニウム合金のサンプルを取り、それをチャンバーに入れ、タンタルカプセルで衝撃を与えて200,000気圧に相当しました。

そして出来上がり!その後、彼と彼の同僚がサンプルを分析したとき、彼らは準結晶の明らかなパターンを観察しました。現在、銅-アルミニウム合金に余分な鉄が含まれています。

「隕石が衝撃を受けたことはわかっていました。衝撃はあなたが必要とする魔法の成分である可能性があると推測しました。初めて試したときはうまくいきました」とAsimow氏は述べています。「それは、適切な出発材料と適切な強度の衝撃があれば、[自然に発生する準結晶を作るのは]それほど難しいことではないかもしれないことを私たちに示唆しています。」

彼の結果は基本的なメカニズムを提供しますが、衝撃圧縮中に形成された準結晶の正確な詳細はまだ発見されていません。野生で準結晶を見つけることが非常にまれである理由については、Asimowは、その銅-アルミニウム合金の希少性に部分的に起因していると示唆しています。これまでに研究された他の隕石には現れません。これらは、通常は一緒に見られない、非常に異なる化学的挙動を持つ2つの金属です。

しかし、それは他のそのような隕石が存在しないという意味ではありません。スペースロックは1970年代までは非常にまれでしたが、現在では数千にのぼり、常に収集されています。隕石を狩るのに最適な場所は南極大陸とサハラ砂漠で、それぞれ白い雪と軽い砂に対して黒い岩を簡単に見つけることができます。

Asimowは現在、鉄の痕跡がどこから来たのかを特定するために、自分の実験を微調整しています。彼は、最初の実験で潜在的な鉄源を取り除くために、さらに2つの制御実験をすでに実行しました。最も可能性が高いのは、そのタンタルカプセルです。彼はまだデータを分析していませんが、準結晶の形成に失敗することを完全に期待しています。そして、彼は元の実験で多くのバリエーションを実行し、準結晶が自然に形成される正確な条件に焦点を合わせます。

今のところ、彼は最初の試みが彼の最初の質問に答えたことに満足しています。「それは、天然の準結晶を作るメカニズムと、他に何も見つからなかった理由を説明しています」とAsimow氏は述べています。「私たちには独自の出発材料があり、独自の環境があります。今、最大の謎は、そもそもなぜその隕石に銅アルミニウム合金があったのかということです。」

[全米科学アカデミー紀要]

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