اولین «فیلم» رشد شبه‌بلورها از این حقیقت پرده برداشت که فرآیند تصحیح خطا در ایجاد ساختارهای کمیاب دخیل است. تصاویرِ با وضوح بالا که توسط فیزیک‌پیشگانی از دانشگاه توکیو گرفته شده پیشنهاد می‌دهد که اندرکنش‌های کوتاه‌برد - به جای اندرکنش‌های بلندبردی که پیش‌تر تصور می‌شد٬ فرآیند تشکیل شبه‌بلورها را تحت سلطه قرار می‌دهد.

بلورهای سنتی از یاخته‌های واحد تکرارشونده‌ای از اتم‌ها تشکیل شده‌اند. این واحدها برای ایجاد یک ساختار بلوری ساده با تقارن انتقالی باهم ترکیب می‌شوند. این تقارن یعنی اگر مشاهده‌گر از یک اتم به اتم دیگر حرکت کند٬ بلورِ پیرامونی دقیقاً یکسان بنظر می‌رسد. چنان بلورهایی بواسطه‌ی اندرکنش‌های محلی و کوتاه‌برد که مابین یاخته‌های واحد وجود دارد رشد می‌کنند؛ این رشد تکرار ساده‌ی یک تک‌الگو را شامل می‌شود.

از طرف دیگر٬ شبه‌بلورها (Quasicrystals) می‌توانند به صورت دو یاخته‌‌ی واحد (به نام کاشی‌های پنروز (Penrose tiles) ) مدل‌سازی شوند. این کاشی‌ها به روش پیچیده‌تری تکرار می‌شوند تا ساختاری را ایجاد کنند که تقارن چرخشی دارد اما از تقارن انتقالی بی‌بهره است. به نظر می‌رسد رشد شبه‌بلورها به اتم‌هایی نیاز داشته باشد که اندرکنش‌های بلندبرد و غیرموضعی باهم دیگر داشته باشند تا بتوانند این الگوهای پیچیده را توضیح دهند؛ چیزی‌که توضیح فیزیکی ندارد. مشکل اینجاست که هر توده‌ی اتمی در یک شبه‌بلور تنها اطلاعاتی درباره‌ی همسایه‌های نزدیک بدست می‌دهد و بنابراین اطلاعات بلندبردِ لازم برای تشکیل الگوهای شبه‌بلوری موجود نیست. درواقع بسیاری از دانشمندان برجسته همچون لینوس پائولینگ (Linus Pauling)٬ برنده‌ی جایزه‌ی نوبل٬ ایده‌ی شبه‌بلورها را در زمان ظهور آن‌ها نپذیرفته‌اند.

سوالی که همچنان به قوت خود باقی‌ است

هرچند اکنون گمان کمتری وجود دارد مبنی بر اینکه شبه‌بلورها وجود دارند٬ چگونگی رشد آن‌ها همچنان سوالی است که از زمان کشف این بلورها در سال ۱۹۸۴ توسط دانیال شیت‌من (Daniel Shechtman) به قوت خود باقی است. وی جایزه‌ی نوبل شیمی سال ۲۰۱۱ را به دلیل کارهای پیش‌گامانه‌اش بر روی این موضوع از آن خود کرد.    

امروزه شبه‌بلورها در اشیاء روزمره٬ همچون ماهی‌تابه‌ها، چاقوهای جراحی و تیغ‌های ریش تراشی٬ مورد استفاده قرار می‌گیرد اما چگونگی رشد آن‌ها همچنان به‌خوبی درک نشده است. اکنون کِی چی ادگاوا (Keiichi Edagawa) از دانشگاه توکیو و تیم‌اش از یک میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) با وضوح بالا استفاده کرده‌اند تا رشد یک شبه‌بلور که آلیاژی از آلومینیوم٬ نیکل و کبالت است را مشاهده کنند. آن‌طور که ادگاوا به  physicsworld.com می‌گوید: «مشاهدات ما از فرآیند عجیب رشد شبه‌بلورها پرده‌برداشته که با رشد ایده‌آلی که تاکنون پیشنهاد شده بسیار متفاوت بوده است».

دانه‌های درحال رشد

ادگاوا و تیم‌اش یک شبه‌بلور  Al_70.8Ni_19.7Co_9.5  را ساخته‌اند که تقارن چرخشی ده‌مرتبه‌ای دارد یعنی چرخش این الگو با ضرایب صحیحی از ۳۶ درجه الگوی یکسانی را نتیجه می‌دهد. این پژوهش‌گران نمونه‌ی موردنظر را تا دمای ۱۱۸۳ کلوین حرارت داده‌اند. این حرارت باعث می‌شود تا اتم‌ها از یک دانه در شبه‌بلور جدا شده و به دانه‌ی دیگر ملحق شود. محققان از یک میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا استفاده کرده‌اند تا فیلمی از رشد دانه‌ای با ۳۰ فریم در ثانیه ضبط کنند. به بیان اداگاوا : «وضوح مورد استفاده ما برای تفکیک خوشه‌های اتمی کافی است».

این تیم مشاهده کردند که خطاها غالباً در داخل ساختارهایی معرفی می‌شد که خوشه‌های اتمی آن ساختارها خودشان را آرایش می‌دهند. با این حال این خطاها همواره در طول دوره‌ی چند ثانیه‌ای برای بازگرداندن نظم شبه‌فلز تصحیح می‌شوند. مشاهده‌ی این خطاها شگفت‌آور بود: مدل‌های نظری که به رشد شبه‌فلزات می‌پردازند پیش‌بینی کرده بودند که دانه‌ها به شکل کامل رشد می‌کنند و همیشه نظم شبه‌بلوری را حفظ می‌کنند.

شِش مورد از رویدادهای «خطا و اصلاح» در طول ۱۵ ثانیه بر روی یک دانه مشاهده شده است. حضور این خطاها به اداگاوا و تیم‌اش پیشنهاد می‌داد که رشد شبه‌بلورها در حقیقت با اندرکنش‌های محلی بدست می‌آیند. اندرکنش‌های غیرمحلی نظم ثابت شبه‌بلورها را تضمین می‌کنند و به رویدادهای خطا و اصلاح نیازمند نیستند. آن‌گونه که این پژوهش‌گران گزارش داده‌اند٬ «به نظر می‌رسد اندرکنش‌های محلی برای ایجاد نظم شبه‌بلوری کافی باشد». این٬ ادعایی است که با شبیه‌سازی‌های اخیر مونته‌کارلو و دینامیک مولکولی توافق دارد. این تیم معتقد است خطاها٬ انرژی آزاد شبه‌بلورها را افزایش داده و بازآرایی‌هایی که به نظم شبه‌بلورها برمی‌گردد انرژی آزاد را دوباره کاهش می‌دهد.

مشاهدات این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.

درباره‌ی نویسنده:

کاترین کُرنای (Katherine Kornei ) نویسنده‌ای علمی در ایالات متحده است.

منبع:

Physicists get a surprise when watching quasicrystals grow