Μια ανακάλυψη που έρχεται να λύσει ένα επιστημονικό αίνιγμα τεσσάρων δεκαετιών πέτυχαν ερευνητές από το University of Michigan, ανοίγοντας νέους δρόμους στην κατανόηση της στερεάς ύλης. Με τη βοήθεια μιας πρωτοποριακής μεθόδου προσομοίωσης, κατάφεραν να εξηγήσουν τη σταθερότητα των quasicrystals, μιας μορφής στερεών που είχε θεωρηθεί κάποτε αδύνατη.
Τα quasicrystals, αν και έχουν δομή τύπου πλέγματος όπως τα κοινά κρυσταλλικά υλικά, δεν εμφανίζουν επαναλαμβανόμενο μοτίβο. Αυτή η ακανόνιστη διάταξη των ατόμων ήταν και ο λόγος που δεν μπορούσαν να προσομοιωθούν με τις υπάρχουσες κβαντομηχανικές μεθόδους, όπως η Θεωρία Συναρτησιακής Πυκνότητας (density-functional theory), η οποία βασίζεται στην περιοδικότητα των κρυστάλλων. Το πρόβλημα παρέμενε άλυτο από το 1984, όταν ο Daniel Shechtman παρατήρησε για πρώτη φορά quasicrystals σε κράματα αλουμινίου και μαγγανίου, γεγονός που του χάρισε το Νόμπελ Χημείας το 2011.
Η νέα μελέτη, με επικεφαλής τον Wenhao Sun, καθηγητή στο University of Michigan, και πρώτη συγγραφέα την υποψήφια διδάκτορα Woohyeon Baek, χρησιμοποίησε έναν εναλλακτικό τρόπο προσέγγισης: αντί να προσπαθούν να προσομοιώσουν το σύνολο ενός άπειρου quasicrystal, οι ερευνητές απομόνωσαν μικροσκοπικά νανοσωματίδια από μια μεγαλύτερη προσομοιωμένη μάζα και υπολόγισαν την ενέργεια καθενός. Στη συνέχεια, μετρώντας πώς η ενέργεια αλλάζει καθώς αυξάνεται το μέγεθος των νανοσωματιδίων, εξήγαγαν το ενεργειακό προφίλ ολόκληρου του υλικού.
Το αποτέλεσμα ήταν ξεκάθαρο: τουλάχιστον δύο quasicrystals, ένα κράμα σκάνδιου και ψευδαργύρου και ένα άλλο από υττέρβιο και κάδμιο, είναι θερμοδυναμικά σταθερά λόγω της ενθαλπίας – δηλαδή της τάσης των ατόμων να οργανώνονται έτσι ώστε να ελαχιστοποιούν την ενέργεια των χημικών δεσμών. Αυτό αναιρεί την παλαιότερη υπόθεση ότι τα quasicrystals ίσως σταθεροποιούνται μόνο λόγω εντροπίας, όπως συμβαίνει με τα άμορφα στερεά όπως το γυαλί.
Το εύρημα είναι σημαντικό όχι μόνο γιατί εξηγεί επιτέλους τη σταθερότητα αυτών των υλικών, αλλά και γιατί εισάγει μια νέα μεθοδολογία που επιτρέπει τη μελέτη άλλων πολύπλοκων δομών, όπως άμορφα υλικά, διεπιφάνειες μεταξύ διαφορετικών κρυστάλλων και κρυσταλλικά ελαττώματα – τομείς κρίσιμοι για την ανάπτυξη τεχνολογιών όπως τα qubits στην κβαντική υπολογιστική.
Ο Vikram Gavini, συν-συγγραφέας της μελέτης και καθηγητής μηχανολογίας και μηχανικής υλικών, εξήγησε ότι η ομάδα ανέπτυξε έναν εξαιρετικά αποδοτικό αλγόριθμο, που λειτουργεί έως και 100 φορές ταχύτερα από τις συμβατικές μεθόδους. Το κλειδί ήταν η μείωση της επικοινωνίας μεταξύ επεξεργαστών, καθώς κάθε μονάδα επεξεργάζεται δεδομένα μόνο από γειτονικές περιοχές, επιτρέποντας έτσι αποτελεσματική επιτάχυνση μέσω GPU σε υπερυπολογιστές.
Η επίλυση του μυστηρίου των quasicrystals δεν αποτελεί μόνο ένα ακαδημαϊκό επίτευγμα. Μεταμορφώνει τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε τη συμπεριφορά της ύλης σε ατομικό επίπεδο και προσφέρει εργαλεία για το σχεδιασμό νέων, εξειδικευμένων υλικών με ιδιότητες προσαρμοσμένες σε ανάγκες της βιομηχανίας, της τεχνολογίας και της επιστήμης των υλικών. Ένα πρόβλημα που φαινόταν άλυτο για 40 χρόνια πλέον έχει απαντηθεί – και η απάντηση φέρνει μαζί της ένα νέο ορίζοντα δυνατοτήτων.
[via]
Διαβάστε επίσης
