Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 34 – vyšlo 7. září, ročník 10 (2012)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

První kvazikrystaly nevznikaly na Zemi

Petr Kulhánek

Některé pevné látky vytvářejí krystalické struktury. Základní charakteristikou krystalu je periodické opakování uspořádání atomů v určitých směrech a symetrie při pootočení krystalu kolem některé osy o vhodný úhel. První pokusy o popis krystalů pochází ze 17. století, ale ucelenou teorii geometrických vlastností krystalů publikoval až francouzský mineralog a katolický kněz René Just Haüy (1743–1822) na počátku 19. století. Ukázalo se, že jediné možné krystalografické symetrie jsou dvoučetné, tříčetné, čtyřčetné a šestičetné. Četností se zde rozumí, kolikrát se krystal při otočení o 360° vrátí do původní podoby. Jiné symetrie nemohou vyplnit třírozměrný prostor periodicky, tedy beze zbytku. „Zakázané“ jsou veškeré symetrie s četností vyšší než 6 a pětičetná symetrie. Krystalografické symetrie se snadno rozpoznají z ohybuDifrakce – ohyb. Skládání mnoha vln do maxim a minim charakteristické vlnové délky. Zdrojem skládaných vln může být okraj malého otvoru, hrana překážky nebo periodická struktura (například krystalová mřížka). elektromagnetického záření na periodické struktuře krystalické látky. Charakteristický ohybový obrazec je jakýmsi podpisem stvrzujícím přítomnost určité symetrie. Ohybové obrazce různých látek slouží k jejich třídění podle jejich krystalografické struktury.

Pětičetnou symetrii, která se u krystalů nevyskytuje, použil významný český architekt italského původu Jan Blažej Santini-Aichel (1677–1723) při stavbě kostelu svatého Jana Nepomuckého na Zelené hoře. Tento komplex ve slohu barokní gotiky patří k jeho vrcholným dílům. Vše je podřízeno pětičetné symetrii – ať kostel samotný, kaple na periferii pozemku či podlaha v kostelu samotném. Podlaha je tvořena pětiúhelníkovými kachlemi doplněnými dalšími tvary do neperiodického pokrytí. Mnohem později, v roce 1974, ukázal anglický matematický fyzik Roger Penrose (1931), že existuje neperiodické pokrytí roviny s pětičetnou symetrií (tzv. Penroseovo pokrytí) složené ze dvou kosočtverců. Přestože je pětičetná symetrie na první pohled patrná, obrazce se nikdy přesně neopakují. Penroseovo pokrytí postrádá přesnou translační symetrii (vzhledem k posunutí).

Santiniho komplex na Zelené hoře u Žďáru nad Sázavou.

Penroseovo pokrytí.

Většina fyziků byla dlouho přesvědčena, že krystaly mohou tvořit jen takové tvary, které svým přesným opakováním beze zbytku vyplní celý prostor. O to větší bylo překvapení, když v roce 1982 pozoroval izraelský fyzik Dan Shechtman se spolupracovníky, že ohybové obrazce některých slitin hliníkuHliník – Aluminium, velmi lehký kov bělavě šedé barvy, velmi dobrý vodič elektrického proudu, široce používaný v elektrotechnice a ve formě slitin v leteckém průmyslu a mnoha dalších aplikacích. Hliník byl objeven roku 1825 dánským fyzikem Hansem Christianem Oerstedem. s hořčíkemHořčík – Magnesium, lehký, středně tvrdý stříbrolesklý kov, druhý nejlehčí z kovů alkalických zemin. Využívá se při výrobě lehkých a pevných slitin, jako redukční činidlo v organické syntéze a při pyrotechnických aplikacích. V léčitelství se soli hořčíku používají od 17. století. Čistý hořčík elektrolyticky připravil sir Humphry Davy roku 1808. mají ohybové obrazce, které vykazují zjevnou desetičetnou symetrii, jenž vylučuje periodičnost a je zcela neslučitelná s tehdejšími představami o krystalech. Většina současníků se k objevu stavěla velmi skepticky. Dnes se podobným strukturám říká kvazikrystaly a Shechtman za jejich objev získal Nobelovu cenu za chemii pro rok 2011. Kvazikrystal je struktura se zjevným pravidelným uspořádáním, nicméně chybí jí translační symetrie. V dosti velké vzdálenosti od daného místa můžeme nalézt opakování struktury, které je téměř shodné s původním tvarem, ale přesto ne úplně totožné. Nezávisle na Shechtmanově objevu vytvořili první teorii krystalů se zakázanými symetriemi americký teoretik Paul Steinhardt a italský fyzik Dov Levine již rok před Shechtmanovým pozorováním. Umělých kvazikrystalů byly od té doby vytvořeny za přesně definovaných laboratorích podmínek stovky. Nikdo ale netušil, že by se obdobná struktura mohla vyskytovat v přírodních minerálech.

Fotografie uměle vytvořeného kvazikrystalu pořízená rastrovacím
elektronovým mikroskopem. Zdroj: [5].

V roce 2008 naleznul italský mineralog Luca Bindi z Muzea přírodních věd ve Florencii ve sbírkách tamního muzea velmi zajímavý úlomek kamene o rozměru přibližně 1 milimetr, na kterém se nacházelo zrno o průměru 100 mikrometrů. Rentgenový ohybový obrazec tohoto zrna vykazoval desetičetnou symetrii typickou pro kvazikrytsaly. Chemické složení zrna odpovídalo slitině mědiMěď – Cuprum, ušlechtilý kovový prvek načervenalé barvy, používaný člověkem již od starověku. Vyznačuje se velmi dobrou tepelnou a elektrickou vodivostí, dobře se mechanicky zpracovává a je odolný proti atmosférické korozi. Je základní součástí řady velmi důležitých slitin a mimořádně důležitý pro elektrotechniku., hliníkuHliník – Aluminium, velmi lehký kov bělavě šedé barvy, velmi dobrý vodič elektrického proudu, široce používaný v elektrotechnice a ve formě slitin v leteckém průmyslu a mnoha dalších aplikacích. Hliník byl objeven roku 1825 dánským fyzikem Hansem Christianem Oerstedem. a železaŽelezo – Ferrum, kovový prvek významně zastoupený na Zemi i ve vesmíru. Má všestranné využití při výrobě slitin pro výrobu většiny základních technických prostředků používaných člověkem. Objev výroby a využití železa byl jedním ze základních momentů vzniku současné civilizace. Al₆₃Cu₂₄Fe₁₃ a složení okolního materiálu úlomku připomínalo uhlíkatý chondritChondrit – druh kamenného meteoritu. Je složený z primitivní hmoty, která se svým obsahem blíží složení materiálu, ze kterého vznikala Sluneční soustava. – jeden z nejběžnějších druhů meteoritůMeteorit – pozůstatek po meteoroidu, těleso pocházející z meziplanetárního prostoru, které se srazilo s planetou (Země, Mars, …), přežilo průlet atmosférou a dopadlo na povrch.. Luca Bindi se obrátil se svým nálezem na Paula Steinhardta, který se již mnoho let neúspěšně pokoušel za pomoci různých databází ohybových obrazců nalézt kvazikrystaly v přírodě. Nastalo doslova detektivní pátrání po původu vzácného úlomku. Podle nálepky na krabičce pocházel úlomek z Korjackého pohoří v Rusku. Dalším pátráním se podařilo zjistit, že podivný kamínek objevil v roce 1979 V. V. Krijačko v jílové vrstvě na Čukotce. Pokud by šlo skutečně o meteorit, znamenalo by to, že kvazikrystaly byly přítomné v protoplanetárním disku, ze kterého před 4,5 miliardami let vznikala sluneční soustava. Takový objev byl zcela nečekaný, vzrušující a téměř neuvěřitelný.

Úlomek kamene ze sbírek florentského muzea, který vzrušil v roce 2008 vědecký svět. Světlý materiál je směsicí spinelu, klinopyroxenu a olivínu. Temný materiál se skládá převážně z khatyrkitu, cupalitu a zrn kvazikrystalů. Zdroj [1].

Nález přírodního kvazikrystalu byl natolik neuvěřitelný, že se mnoho vědců domnívalo, že jde o podvrh. Paula Steinhardta napadlo, že pokud by šlo skutečně o meteorit, mohly by se v okolí nálezu nacházet další úlomky a spolu s Lucem Bindem a dalšími spolupracovníky zorganizoval v červenci 2011 expedici na Čukotku. Desetičlenná výprava vědců ze Spojených států, Ruska a Itálie spolu s dvěma řidiči a jedním kuchařem se vydala na Čukotku, kde 4 dni postupovala proti proudu potoka, ve kterém měl být podezřelý úlomek před čtyřmi desetiletími nalezen. Jejich rukama prošlo 1,5 tuny sedimentů z břehů potoka, ze kterých nakonec vybrali několik kilogramů minerálů pro další analýzy. Po dalších šesti týdnech prohlížení sebraných vzorků nalezli na jednom zrnku kovovou skvrnku. Nejenže obsahovala kvazikrystaly, ale měla izotopové složení shodné se vzorkem z italského muzea. Přestože šance na úspěch byla mizivá, houževnatost týmu se vyplatila. Autentičnost původního vzorku s katalogovým číslem 46407/G byla potvrzena. Téměř s jistotou lze nyní říci, že nalezené kvazikrystaly vznikly v protoplanetárním disku, což znamená, že budeme muset přehodnotit naše současné představy o krystalických látkách a o procesech, které probíhaly při vzniku sluneční soustavy. Vědci budou muset zjistit, zda meteorit pochází z vnitřní nebo z vnější části sluneční soustavy a odpovědět na otázku, proč kvazikrystaly nevznikaly na Zemi, ale vznikaly jinde ve vesmíru.

Záběry z expedice. Oblast hledání je na mapě (vespod) označena hvězdičkou. Zdroj [1].

Odkazy