Жорстокі пальці електрики, які вдарили по піщаній дюні в Небрасці, залишили після себе кристали, які рідко зустрічаються в природі. Усередині шматка фульгуриту – або «скам’янілої блискавки» – створеної потужним ударом електрики, що потрапляє в пісок і зливається з ним, вчені знайшли квазікристал, структуру матерії, яку колись вважали неможливою. Це відкриття свідчить про існування раніше невідомих шляхів утворення квазікристалів, що відкриває нові шляхи для їх синтезу в лабораторії.
«Поточне дослідження було розроблено для вивчення іншого можливого природного механізму генерації квазікристалів: електричного розряду», — пишуть у своїй статті група дослідників під керівництвом геолога Луки Бінді з Університету Флоренції в Італії.
«Відкриття квазікристала у фульгуриті з рідко спостережуваною 12-кратною симетрією та складом, про який раніше не повідомлялося, вказує на те, що цей підхід також може бути перспективним у лабораторії».
Більшість кристалічних твердих речовин у природі, від скромної кухонної солі до найміцніших алмазів, дотримуються тієї самої схеми: їхні атоми розташовані в решітчастій структурі, яка повторюється в тривимірному просторі.
Тверді речовини, які не мають цих повторюваних атомних структур – аморфні тверді речовини, такі як скло – зазвичай являють собою атомний безлад, нагромадження атомів, змішаних разом без римування чи причини. Квазікристали порушують правило – їхні атоми розташовані за шаблоном, але цей шаблон не повторюється.
Коли в 1980-х роках вперше виникла ідея квазікристалів, ця концепція вважалася неможливою. Тверді речовини можуть бути або кристалічними, або аморфними, не такими дивними між ними. Але потім вчені виявили їх як у лабораторних умовах, так і в природі, глибоко всередині метеоритів.
Відтоді вчені визначили, що квазікристали в природі можуть утворюватися лише в екстремальних умовах, з неймовірно високими ударами, температурою та тиском. Гіпершвидкісні удари метеоритів є одним із таких місць; фактично протягом тривалого часу це було єдине місце, де вони були знайдені в природі, і тому вважалося, що це, можливо, єдине місце, де вони могли виникнути.
Потім Бінді та його колега, фізик Пол Стейнхардт з Прінстонського університету разом зі своєю командою знайшли квазікристал, вироблений під час випробування ядерної бомби в 1945 році. Незважаючи на те, що це не зовсім «природні» умови, відкриття припустило, що можуть існувати інші умови, в яких можуть утворюватися квазікристали.
Блискавка є однією з найпотужніших сил у природі, б’є з надзвичайною швидкістю та може нагріти повітря, крізь яке проходить, до 5-кратної температури поверхні Сонця.
І коли він вдаряється об землю в потрібному місці з достатньою силою, він може розтопити пісок, залишаючи фульгурит – «скам’янілість» шляху, який він пройшов через землю.
Всі інгредієнти є: удар, температура і тиск. Тож Бінді, Стейнхардт та їхні колеги взялися за дослідження фульгуритів для квазікристалів.
Вони отримали зразок фульгуриту з регіону Сандхіллс, штат Небраска, вилучений з місця поблизу лінії електропередач, що впала, і піддали його скануючій електронній мікроскопії та трансмісійній електронній мікроскопії, щоб визначити його хімічний склад і кристалічну структуру..
Зразок складався з розплавленого піску та слідів розплавленого металевого провідника від лінії електропередач. У ньому дослідники виявили додекаедричний (дванадцятигранний) квазікристал з раніше невідомим складом Mn 72,3 Si 15,6 Cr 9,7 Al 1,8 Ni 0,6. Атоми в цьому квазікристалі утворили структуру з 12-кратною симетрією, розташовану у квазікристалічному порядку, неможливому для нормальних кристалів.