Struktura atomowa kwazikryształu Ag-Al

Kryształ to wyjątkowo dobrze uporządkowana forma ciała stałego, w której atomy (cząsteczki, jony) ułożone są według określonych, powtarzających się periodycznie w przestrzeni reguł. Rezultatem mogą być wyjątkowe własności optyczne, elektryczne i mechaniczne kryształów, np. dwójłomność, duże przewodnictwo cieplne i elektryczne lub ogromna twardość. Ściśle periodyczne kryształy bez jakichkolwiek zaburzeń struktury i domieszek (monokryształy) były doceniane przez ludzkość od zarania dziejów, a obecnie są wykorzystywane w wielu dziedzinach techniki (w Delcie 3/2015 pisaliśmy np. o niebieskim laserze). Nieco bardziej subtelną niż kryształy i przez to trudniejszą do studiowania klasą ciał stałych są kwazikryształy. Struktura kwazikryształu jest pozornie regularna, jednak w przeciwieństwie do monokryształów nie powtarza się regularnie w przestrzeni; kwazikryształ jest uporządkowany, ale nieperiodyczny.

Przykładem modelu kwazikryształu jest układanka (kafelki) Rogera Penrose'a, który w latach siedemdziesiątych XX wieku bawił się pokrywaniem płaszczyzny za pomocą dwóch rodzajów deltoidów.

Ciała o strukturze tego typu zaistniały w naukowym świecie w 1982 roku, gdy Dan Shechtman zaobserwował w mieszaninie manganu i glinu siatkę o przybliżonej pięciokątnej symetrii. Za odkrycie to (nawiasem mówiąc początkowo ostro kwestionowane przez środowisko naukowe) został uhonorowany w 2011 r. Nagrodą Nobla.

Istnienie kwazikryształów było przez wiele lat podawane w wątpliwość, ponieważ wielu badaczom wydawało się, że taka struktura jest zbyt nietrwała, by istnieć w przyrodzie w stanie stabilnym. Tym ciekawsze wydają się w tym kontekście odkrycia kwazikryształów, złożonych z atomów miedzi, żelaza i glinu, w naturalnie występujących skałach. Minerał taki znaleziono np. na Czukotce - jest on niezwykle twardy, ale w przeciwieństwie do monokryształów słabo przewodzi ciepło i elektryczność, nadaje się więc świetnie na ekstremalnie wydajny izolator termiczny.

Kolejnym dowodem na wszędobylskość kwazikryształów jest stwierdzenie ich obecności w znalezionym (również w Rosji) meteorycie. Wiek meteorytu szacowany jest na 4,6 miliarda lat. Kwazikryształ o dekagonalnej (dziesięciokrotnej) symetrii, składający się z atomów niklu, żelaza oraz glinu powstał najprawdopodobniej również wtedy, przy narodzinach Układu Słonecznego. Zaródź kwazikryształu otoczona jest warstwą kwarcu, formująca się w warunkach dużych temperatur i ciśnień. Badacze z Uniwersytetu Princeton w USA i Florencji we Włoszech (wśród nich pionier fizyki kwazikryształów Paul Steinhardt) są przekonani, że meteorytowy kwazikryształ przyczyni się do zrozumienia naturalnego powstawania tego typu struktur i stanu materii we wczesnych etapach życia Układu Słonecznego.