Nobel za kwazikryształy

Wyjątkowość odkrytej przez noblistę z Izraela szczególnej formy ciał stałych, tj. kwazikryształów, polega na tym, że układy atomów są w nich upakowane w sposób regularny, ale niepowtarzalny.

Przed odkryciem Shechtmana naukowcy wierzyli, że atomy są upakowane w kryształach w symetrycznych układach, regularnie się powtarzających. Badacze uważali, że taka powtarzalność jest niezbędna by uzyskać kryształ.

Jednak obrazy uzyskane przez Shechtmana 8 kwietnia 1982 r. w mikroskopie elektronowym pokazały coś przeczącego dotychczasowym prawom natury: okazało się, że układy atomów w kryształach nie muszą się powtarzać. Tego dnia przyszły noblista odkrył kwazikryształy.

Kwazikryształy są obecne w najbardziej wytrzymałej stali, stosowanej m.in. do produkcji żyletek i igieł używanych w operacjach okulistycznych - pokreślił Komitet Noblowski.

Jak wynika opracowań opublikowanych przez Komitet, materiały zbudowane z kwazikryształów, odkrytych w 1982 r. przez tegorocznego noblistę z Izraela, są wyjątkowo odporne na korozję i przywieranie.

Kwazikryształy są obecne w najbardziej wytrzymałej stali, uzyskanej przez Szwedów. Tworzą w niej twardą warstwę, będącą czymś w rodzaju ochronnego pancerza. Obecnie jest ona stosowana w produkcji m.in. żyletek do golenia lub cienkich igieł stosowanych do operacji okulistycznych - napisano na oficjalnej stronie internetowej Komitetu Noblowskiego.

Jak podano, kwazikryształy też są świetnymi materiałami termoelektrycznymi, zamieniającymi ciepło na energię elektryczną. Takie materiały mogłyby pomóc odzyskiwać i wykorzystywać energię cieplną - wytwarzaną np. przez samochody - która normalnie jest bezpowrotnie tracona.

Naukowcy - czytamy na stronie - prowadzą obecnie eksperymenty nad wykorzystaniem tych struktur do powlekania naczyń kuchennych, przy produkcji elementów energooszczędnych lamp diodowych (LED) oraz warstw izolacyjnych w silnikach.

Shechtman otrzyma nagrodę w wysokości 10 mln koron szwedzkich, czyli ok. 1,5 mln dolarów. 70-letni naukowiec pracuje w Izraelskim Instytucie Technologicznym (Technion - Israel Institute of Technology) w Hajfie.

Jak powiedział prof. Mirosław Handke z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, dotychczas nie było Nagrody Nobla w dziedzinie badań ciała stałego. A Shechtman - powiedział naukowiec - od dawna zajmował się strukturą kryształu. Badał, co jest w nim nietypowego i nie spełnia wymogów symetrii.

Handke dodał, że miał okazję poznać osobiście tegorocznego laureata Nagrody Nobla. "Byłem w Hajfie, gdzie prowadził badania, ale spotkałem go również podczas pobytu w USA. To nadzwyczaj sympatyczny człowiek" - wspominał.

W latach 80. odkrycie, dokonane przez nagrodzonego Noblem z chemii Daniela Shechtmana, złamało ustaloną symetrię kryształów. Było przełomowe, bo odsłoniło nową twarz natury - powiedział PAP prof. Jerzy Przystawa z Narodowego Centrum Badań Jądrowych.

W środę Komitet Noblowski ogłosił, że laureatem tegorocznej Nagrody Nobla w dziedzinie chemii jest 70-letni izraelski naukowiec Daniel Shechtman, którego uhonorowano za odkrycie kwazikryształów.

„Fizyka ciała stałego do lat 80. XX wieku zajmowała się kryształami, czyli substancjami, które posiadają bardzo regularną, piękną przestrzenną strukturę i własności symetrii obrotowej” – powiedział PAP Przystawa.

Jak wyjaśnił, dzięki odkryciu Shechtmana, w latach 80. ubiegłego wieku pojawiły się informacje, że istnieją takie materiały i struktury, które nie są zgodne z symetrią, która obowiązywała już od wieków w fizyce ciała stałego. Znaleziono wiele substancji w szczególności wśród stopów metali, które właśnie łamią tę tradycyjną, ustaloną symetrię kryształów.

„Te nowe substancje, których laureat dzisiejszej Nagrody Nobla wynalazł szczególnie dużo, mają właściwości niezgodne z kanonami fizyki ciała stałego. Zyskały one nazwę kwazikryształów. Ich struktura jest bardzo podobna do kryształu, jednak nie ma porządku, które mają normalne kryształy, z którymi byliśmy przez wieki zaznajomieni” – tłumaczył naukowiec.

Dodał, że struktury kwazikrystaliczne przejawiają cały szereg nowych właściwości fizycznych, które zupełnie inaczej przejawiają się w eksperymentach. „Znajdują swoje wykorzystanie w technologii, ale na razie to wszystko jest jeszcze w fazie badań. To wciąż nowa twarz materii, którą poznajemy” – powiedział Przystawa. Jego zdaniem, naukowcy są na początku drogi badania kwazikryształów.

Kim jest Daniel Shechtman?

"Moim marzeniem w dzieciństwie było studiowanie inżynierii mechanicznej. Po lekturze +Tajemniczej Wyspy+ Juliusza Verne'a, którą jako chłopiec przeczytałem 25 razy, pomyślałem, że jest to najlepsza rzecz, jaką może robić człowiek. Inżynier z powieści zna się na mechanice i fizyce; tworzy podstawy funkcjonowania wyspy z niczego. Właśnie taki chciałem być" - przyznał w jednym z wywiadów noblista.

Trzy dekady temu prof. Daniel Shechtman spojrzał przez mikroskop elektronowy i nie mógł uwierzyć własnym oczom.

Chłodny kwietniowy poranek 1982 roku spędzał w Narodowym Instytucie Standaryzacji i Technologii w Gaithersburgu (okolice Waszyngtonu), gdzie został wysłany na urlop naukowy. Gdy obserwował pod mikroskopem nowy kryształ, którzy stworzył w swoim laboratorium, zauważył dziwną strukturę, która przeczyła regułom krystalografii.

"Mówiłem każdemu, kto był gotów mnie wysłuchać, że mam materiał z pięciokrotną osią symetrii. Ludzie po prostu śmiali się ze mnie - wspominał Shechtman w wywiadach. - Wiedziałem, że moje dane się zgadzają. Nie potrafiłem wyjaśnić tego zjawiska, lecz wiedziałem, że nikt przede mną nie zaobserwował takiego materiału".

Przez kolejne miesiące usiłował przekonać kolegów z laboratorium, że to, co im pokazuje jest nieznanym dotychczas rodzajem kryształu. Na próżno.

Niegasnąca krytyka ze strony innych naukowców wielokrotnie zmuszała go do stawania przed mikroskopem w celu zweryfikowania wyników. Początkowy rezultat pozostał jednak niezmienny.

Pewnego dnia odwiedził go dyrektor administracyjny grupy badawczej, w której pracował i położył na biurku podręcznik, prosząc, by zapoznał się z jego treścią. "Powiedziałem mu, że z tej książki korzystam pracując ze studentami, ale to, z czym mamy do czynienia wykracza poza rozumienie przedstawione w książce" - wspominał Shechtman.

Po 24 godzinach dyrektor wrócił i poprosił go o opuszczenie grupy, gdyż przynosi wstyd kolegom.

Wróciwszy do Izraela znalazł jedną osobę, której jego wnioski wydały się godne głębszego zbadania. Był to prof. Ilan Blech. Ich współpraca doprowadziła do ukazania się w 1984 roku artykułu, który w efekcie doprowadził do zmiany podstawowych założeń dotyczących natury materii i rozwoju nowej dziedziny badań chemicznych.

Artykuł (który początkowo został odrzucony) wywołał rozłam w środowisku chemików, a podwójny noblista Linus Pauling nigdy nie zaakceptował istnienia kwazikryształów. Jak mawiał, "nie ma czegoś takiego jak kwazikryształy, a jedynie kwazinaukowcy".

W 1987 roku kolegom Shechtmana z Francji i Japonii udało się przeprowadzić analizę strukturalną, która ostatecznie potwierdziła to, co pięć lat wcześniej zaobserwował pod mikroskopem.

Daniel Shechtman urodził się w 1941 roku w Tel Awiwie. Pracuje w Izraelskim Instytucie Technologicznym (Technion - Israel Institute of Technology) w Hajfie. Jego kolekcja nagród obejmuje m.in.: Międzynarodową Nagrodę Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego w dziedzinie nowych materiałów (1988 r.), Nagrodę Izraela (1998 r.), Nagrodę Wolfa w dziedzinie fizyki (1999 r.) i izraelską nagrodę EMET w dziedzinie chemii (2002 r.).