Материал, которого не может быть

В апреле 1982 году Даниэль Шехтман, тогда еще сотрудник Национального института стандартов и технологий (США), изучал свойства сплава алюминия и марганца. Материаловед резко охлаждал расплав и изучал упорядочение атомов в получавшемся материале. Традиционно для этого используется рентгеновское излучение, а также пучки электронов и нейтронов. Пучок излучения рассеивается на кристаллической структуре вещества как на дифракционной решетке. Если на его пути поместить монокристалл, то на детекторе (или специальной пластине) возникнет симметричная картина из ярких точек, по положению которых можно определить расположение атомов в веществе.

Симметрия этой картины связана с симметрией расположения атомов в веществе. В частности, это касается осей симметрии. Порядок оси симметрии означает, сколько раз объект совместится сам с собой при повороте вокруг нее на 360 градусов. Здесь следует вспомнить, что каждый кристалл — строго периодичный набор абсолютно одинаковых ячеек, повторяющихся практически до бесконечности вдоль трех основных его осей. Это накладывает фундаментальное ограничение на порядок осей симметрии в кристалле: он может быть равен только двум, трем, четырем и шести. Связано это с тем, что квадратами, правильными треугольниками и шестиугольниками можно замостить плоскость без пробелов, а правильными пятиугольниками — никак нельзя.

Именно пятиугольник (а точнее, правильный десятиугольник) увидел Шехтман на картине электронной дифракции. Это можно было назвать страшным сном кристаллографа, полностью переворачивающим представления о том, как может быть устроено вещество. Когда материаловед рассказал о своем открытии, коллеги его осмеяли, предположив, что он был недостаточно аккуратен в работе с образцом. Начальник лаборатории посоветовал Шехтману освежить в памяти учебники по кристаллографии, а на следующий день попросил покинуть коллектив: «Вы пятно на моей группе».

Лишь в 1984 году Даниэлю Шехтману удалось опубликовать статью о своем открытии в Physical Review Letters, рецензируемом научном журнале. Оказалось, что обнаруженный им материал представлял собой новую форму материи. В масштабах всего кристалла упорядочение атомов было симметричным, но при этом в кристалле не было периодичности. Этот тип материалов получил название квазикристаллов («почти кристаллов»).

Даже после признания существования квазикристаллов Международным союзом кристаллографии в 1992 году, Шехтман подвергся критике со стороны Лайнуса Полинга, дважды нобелевского лауреата. Во время доклада материаловеда Полинг заявил: «Не бывает никаких квазикристаллов, бывают квазиученые». В 1994 году Лайнус Полинг умер, а в 2013 году сам Даниэль Шехтман получил нобелевскую премию по химии.

Сейчас квазикристаллы только начинают находить применение. Как рассказывает Юрий Алексеевич Абузин, доцент кафедры металловедения цветных металлов и золота НИТУ «МИСиС», квазикристаллы — твердые антифрикционные (уменьшающие трение) материалы с коэффициентом трения почти как у тефлона. Они способны работать при температурах до 850 градусов Цельсия в неокислительных средах и до 300 градусов в окислительных (тефлон, для сравнения, распадается при 415 градусах вне зависимости от среды).

По словам ученого, предпринимались даже попытки создать сковородки с антипригарным покрытием на основе квазикристаллов. Оказалось, однако, что на них нельзя готовить соленую пищу — под действием соли защитный слой разрушался. Однако это относится к самой хорошо изученной системе — сплаву алюминий-медь-железо. Сейчас известно более 240 разных квазикристаллических материалов.

Юрий Абузин — директор по науке компании «КвазиКристаллы», занимающейся синтезом этих необычных материалов. По его словам, по сравнению с 1982 годом способ их получения упростился — вместо быстрого охлаждения используются методики порошковой металлургии. Кстати, недавно ученый запатентовал новый способ синтеза, позволяющий получать квазикристаллы напрямую, совместным отжигом порошков трех металлов.

Материал, который достали из баллона

История открытия тефлона — материала, хорошо знакомого большинству по рекламе сковородок с антипригарным покрытием, — относится к 1938 году. Главным ее действующим лицом стал Рой Планкетт, химик американской компании DuPont, мирового гиганта химического синтеза. Планкетт занимался поисками новых фреонов (хладонов), использовавшихся в качестве хладагента в холодильниках.

Эти газообразные вещества представляют собой фтор- и хлорпроизводные метана, этана и других углеводородов. Интерес Планкетта привлек к себе тетрафторэтилен — производная этилена, в которой все атомы водорода заменены на атомы фтора. Специалист хранил газ в баллоне под давлением. В ходе одного из экспериментов Планкетт обнаружил, что баллон словно бы опустел еще до того, как из него вышел весь газ.

Химик решил выяснить, что произошло, — по его расчетам и судя по массе баллона, тетрафторэтилена там оставалось еще довольно много. Для этого Планкетт разрезал баллон и обнаружил, что его стенки покрыты слоем белого воскоподобного вещества, скользкого на ощупь. Оказалось, что тетрафторэтилен, подобно обычному этилену, способен полимеризоваться. Железные стенки баллона выступили в роли катализатора этой химической реакции — в результате образовался политетрафторэтилен, более известный как тефлон.

Далее на N+1.