Objavili sa exotické kryštály

Koloidné kvasikryštály sú tvorené samoorganizáciou

Difrakčný obrazec koloidného kvasikryštálu s 12-násobnou symetriou; vrátane príslušného vzoru obkladov. - B: difraktogram koloidného kvasikryštálu s 18-násobnou symetriou; vrátane príslušného vzoru obkladov. - Vzorec obkladov vždy predstavuje kompletnú štruktúru. © Predseda fyzikálnej chémie I, University of Bayreuth
čítať nahlas

Medzinárodný výskumný tím prvýkrát objavil tzv. Koloidné kvasikryštály. Na rozdiel od predtým známych kvazikryštálov, ktoré sa môžu vyrábať iba za špeciálnych laboratórnych podmienok, sú to jednoducho štruktúrované polyméry, ktoré sa tvoria samoskladaním.

Očakáva sa, že sa vďaka svojim štrukturálnym vlastnostiam použijú pri vývoji nových komponentov vo fotonike, uvádza denník „Zborník Národnej akadémie vied“ (PNAS).

Zviditeľnili sa nezvyčajné symetrické štruktúry

Kvázikryštály sa vyznačujú veľmi neobvyklým usporiadaním atómov. V normálnych kryštáloch tvoria atómy usporiadané periodické štruktúry - to znamená, že sa kombinujú a vytvárajú celkovú štruktúru bez medzier, v ktorej sa pravidelne opakuje jeden symetrický vzor.

Z geometrických dôvodov sú možné iba 1-, 2-, 3-, 4- a 6-násobné symetrie. Toto číslo udáva, ako často sa môže štruktúra otáčať v uhloch medzi 0 a 360 stupňami, takže sa zhoduje so sebou samým.

Usporiadané aperiodické štruktúry

Situácia je iná pri kvázikryštáloch. Tu sú usporiadané aperiodické štruktúry, to znamená, že existujú najmenej dva rôzne symetrické vzory, ktoré sa neopakujú pravidelne, ale stále tvoria kompletnú štruktúru lesa. Za týchto podmienok sa môže vyskytnúť 8, 10 alebo 12-násobná symetria. zobraziť

Tieto štrukturálne rozdiely medzi kryštálmi a kvasikryštálmi môžu byť vizualizované v difrakčných experimentoch s elektromagnetickými vlnami. To vedie k difrakčným obrazcom, ktoré ukazujú, ako sa tvoria kryštály a kvázikryštály. Rozpoznateľné symetrické štruktúry sa vo výskume označujú ako difrakčné symetrie.

Koloidné kvazikryštály pomocou samoinštalovania

Novo objavené koloidné kvasikryštály sú hydrogély, ktoré sú polymérmi, ktoré obsahujú vodu, ale samotné sú nerozpustné vo vode. Majú pomerne jednoduchú štruktúru a podľa vedcov sa objavujú v skutočnosti, že niekoľko podobných „stavebných blokov“ sa spája prostredníctvom samoorganizácie.

Tieto stavebné kamene sú polymérne micely: malé sférické štruktúry s priemerom od 5 do 100 nanometrov, ktoré sa dajú vyrábať vo väčšom meradle bez laboratórnych nákladov. Koloidné kvasikryštály sú preto ľahko dostupné mnohým vedcom a tiež priemyslu.

18-násobná symetria pozorovaná prvýkrát

Tím profesora Stephana F rstera na University of Bayreuth už nejaký čas skúma polymérne micely, ktoré sa môžu zostaviť do mriežkových štruktúr na dĺžkových mierkach do 100 nanometrov. V spoločnej práci na inštitúte Laue-Langevin v Grenobli a na projekte DESY v Hamburgu vedci nedávno zistili, že takéto procesy samoinštalovania môžu viesť k kvázikryštalickým mriežkovým štruktúram. V difrakčných experimentoch bola pozorovaná nielen 12-násobná symetria, ale vôbec prvýkrát 18-násobná symetria.

Žiadne praktické „sklenené perlové hry“

Podľa vedcov takéto experimenty nie sú v žiadnom prípade nepraktické „hry zo sklenených perál“ základného výskumu. Pretože fotonika, disciplína fyziky, ktorá sa zameriava na vývoj optických technológií na prenos a uchovávanie informácií, sa zaujíma o vysoko kvalitné difrakčné symetrie v koloidných kvasikryštáloch.

V posledných rokoch sa zistilo, že štruktúry s vysokou difrakčnou symetriou majú schopnosť prepúšťať svetelné lúče iba v určitých smeroch. Sú obzvlášť vhodným médiom, pokiaľ ide o prechádzanie svetelných lúčov určitej vlnovej dĺžky vo vopred určených smeroch. Výsledkom je, že štruktúry s vysokou difrakčnou symetriou sú veľmi zaujímavé na výrobu fotonických zariadení.

Stavebné materiály pre fotoniku?

Sú teda novoobjavené hydrogély s vysokou difrakčnou symetriou vhodné ako stavebné materiály pre fotoniku? Podľa vedcov je potrebné prekonať ešte jednu prekážku: Fotonika vyžaduje štrukturálne vlastnosti niekoľkých stoviek nanometrov, zatiaľ čo koloidné kvasikryštály nepresahujú 100 nanometrov.

Vedci z Bayreuthu, Hamburgu a Grenoblu preto v súčasnosti tvrdo pracujú na zostavení polymérnych miciel do kvázikryštalických objemových štruktúr, ktoré sa môžu použiť vo fotonických zariadeniach. „Som presvedčený, že tieto snahy budú čoskoro úspešné, “ vysvetľuje Förster.

Kvazikryštály už nie sú laboratórnou zvedavosťou

Koloidné kvasikryštály sa preto pravdepodobne budú na fotonické aplikácie hodiť oveľa lepšie ako doteraz známe približne 100 kvázikryštalické zlúčeniny. Sú to takmer výlučne zliatiny kovov, ktoré sa dajú vyrábať iba v malom množstve a za osobitných laboratórnych podmienok. Okrem toho sa tieto kvazikryštalické štruktúry pohybujú na stupnici od 0, 1 do jedného nanometra, a preto sú príliš praktické na praktické použitie vo fotonike.

Na výrobu kvázikryštalických štruktúr pre fotoniku bolo do dnešného dňa potrebné použiť veľmi komplikované elektrónovo-litografické metódy. Skutočnosť, že kvázikryštály existujú vôbec, bola v roku 1984 prvýkrát výskumným tímom, ktorý dokázal amerického fyzika Dana Shechtmana. Kvázikryštály sa dlho považovali za laboratórnu zvedavosť, až kým si fotonici neuvedomili svoje neobvyklé štruktúrne vlastnosti.

(Bayreuthská univerzita, 21.01.2011 - DLO)