ΒΡΑΒΕΙΟ ΝΟΜΠΕΛ ΧΗΜΕΙΑΣ 2011

Daniel Shechtman

Καθηγητής: Technion - Israel Institute of Technology, Haifa, Israel

Ανακοίνωση του Βραβείου από τη Βασιλική Σουηδική Ακαδημία Επιστημών (5/10/2011)

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2011/announcement.html

Το 1982, ο Daniel Shechtman κατά τη μελέτη διαφόρων κρυστάλλων παρατήρησε στο ηλεκτρονικό του μικροσκόπιο μα εικόνα που φαινόταν να αντιτίθεται στους νόμους της φύσης για τη στερεά ύλη. Οι επιστήμονες πίστευαν επί δεκαετίες ότι τα άτομα μέσα στους κρυστάλλους "πακετάρονται" (packed) με συμμετρικά μοτίβα σχεδίου (patterns), τα οποία επαναλαμβάνονταν περιοδικά ξανά και ξανά. Για τους επιστήμονες η περιοδική επανάληψη ήταν απαραίτητη προϋπόθεση για να σχηματισθεί ένας κρύσταλλος. Παρόλα αυτά, η διαμόρφωση (configuration) στους ημι-κρυστάλλους, που βρήκε ο Shechtman, ήταν διαφορετική και έμοιαζε εκπληκτικά με τα μωσαϊκά του Αραβικού κόσμου, δηλαδή σχέδια-μοτίβα που επαναλαμβάνονται αλλά όχι συμμετρικά. Η άποψη αυτή επί χρόνια θεωρούνταν εσφαλμένη ή αιρετική και ο Shechtman έπρεπε να "παλέψει" για την ιδέα του μεταξύ των επιστημόνων μέχρι να δικαιωθεί [Linus Pauling: "There is no such thing as quasicrystals, only quasi-scientists"].

Αριστερά: κρυσταλλικό υλικό χωρίς επαναλαμβανόμενες δομές (εδώ: κράμα Ag-Al). Κέντρο και δεξιά: Απεριοδικά μωσαϊκά. Η δομή των ημι-κρυστάλλων είναι όμοια με τα αραβικά μωσαϊκά της Αλάμπρα. Μοτίβα που δεν επαναλαμβάνονται.

 

Darb-I Imam, Isfahan Ιράν, χτίσθηκε το 1453

Οι εικόνες που λάμβανε ο Shechtman των ημι-κρυστάλλων έδειχναν ότι τα άτομα κατανέμονται σε μωσαϊκά σχέδια των οποίων το μοτίβο δεν επαναλαμβάνονταν συμμετρικά. Το σχέδιο θεωρούνταν αδύνατο να σχηματισθεί, ως να έχουμε να σχηματίσουμε μια μπάλα ποδοσφαίρου χρησιμοποιώντας εξάγωνα πολύγωνα, ενώ για μια σφαίρα απαιτούνται πεντάγωνα και εξάγωνα.

Η ανακάλυψη του Shechtman όμως έδειχνε ότι το μοτίβο της τακτοποίησης των ατόμων στον κρύσταλλο είναι ένα απεριοδικό μωσαϊκό, όπως τα ισλαμικά μωσαϊκά του Μεσαίωνα στο παλάτι της Αλαμπρα της Ισπανίας και στην κρήνη Darb-I Imam, Isfahan Ιράν (χτίσθηκε το 1453). Τα μωσαϊκά αυτά έχουν σχέδια τα οποία δεν επαναλαμβάνονται συμμετρικά σε όλη τους την έκταση, αλλά ενώ ακολουθούν μαθηματικούς κανόνες, ποτέ δεν επαναλαμβάνονται. Η ιδέα του βέβαια ήταν αιρετική μεταξύ των επιστημόνων για την κρυσταλλική ύλη.

'Οταν οι επιστήμονες περιγράφουν τους ημι-κρυστάλλους του Shechtman χρησιμοποιώντας μια έννοια που προέρχεται από τα μαθηματικά και την τέχνη, τη χρυσή αναλογία ή χρυσό λόγο (golden ratio). Η αναλογία αυτή είχε εξάψει τη φαντασία των Αρχαίων Ελλήνων επιστημόνων και εμφανιζόταν συχνά στη γεωμετρία. Στους ημι-κρυστάλλους η αναλογία των αποστάσεων μεταξύ των ατόμων συνδέεται με αυτήν τη χρυσή αναλογία.

Οι επιστήμονες, μετά την ανακάλυψη του Shechtman, δημιούργησαν διάφορους ημι-κρυστάλλους στο εργαστήριο, αλλά ανακάλυψαν και ημι-κρυστάλλους στη φύση (σε έναν Ρωσικό ποταμό). Μια Σουηδική εταιρεία επίσης βρήκε ημι-κρυστάλλους σε ορισμένες μορφές χυτοσιδήρου. Οι επιστήμονες πειραματίζονται με ημι-κρυστάλλους σε διάφορα προϊόντα, όπως σε αντικολλητικά τηγάνια ψησίματος, φωτοδιόδους, τα γνωστά LED και στις μηχανές ντήζελ.

Μοτίβα περίθλασης του Daniel Shechtamn ενός ημικρυστάλλου.

Η εικόνα επαναλαμβάνεται 10 φορές για μια πλήρη περιστροφή (δηλ. κάθε 36 μοίρες)

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

1. Σύντομο βιογραφικό σημείωμα του Daniel Shechtman (Iowa State University).

2. Shechtman D, Blech L, Gratias D, Cahn JW: "Metallic phase with long range orientational order and no translational symmetry", Phys Rev Lett 53:1951-1953, 1984.

3. Levine D, Steinhardt PJ: "Quasicrystals : a new class of ordered structures", Phys Rev Lett 53:2477-2480, 1984.

4. Steinhardt PJ, Ostlund S: "The Physics of Quasicrystals", World Scientific Pbls, Singapore and Teanck, NJ, 1987.