Daniel Shechtman (ur. 1941, Tel Awiw) Nobel z chemii 2011

Transkrypt

1 O KWAZIKRYSZTAŁACH ORAZ O ICH ODKRYWCY NIBY NAUKOWCU I NOBLIŚCIE Daniel Shechtman (ur. 1941, Tel Awiw) Nobel z chemii 2011 Nowy typ uporządkowania przestrzennego atomów w ciałach stałych Włodzimierz Salejda Instytut Fizyki PWr XV DFN Wrocław, 25 września 2012

2 Od Wielkiego Wybuchu do Fizyki Fazy Skondensowanej (Fizyki Ciała a Stałego) czyli Z CZEGO ZBUDOWANY JEST WSZECHŚWIAT? WIAT?

3 Wszechświat podstawowe dane Wiek (szacowany czas istnienia): (13, ) mld lat 4, sekund (450 mln mld sekund) czas Ŝycia 70 latka to sekund (2 mld sekund) Promień 46 mld lat świetlnych 26 4,4 10 metrów

4 Z czego zbudowany jest Wszechświat? Z cząstek i energii (pól, materii) Zawiera gwiazd

5 Z czego zbudowana jest materia zwykła 5% materii Wszechświat? Cząstki struktury i cząstki pośredniczące

6 Co jest zbudowane z leptonów i kwarków? Atomy, pierwiastki, molekuły, wirusy, bakterie, gazy, ciecze, ciała stałe

7 Budowa atomu

8 Jak atomy, jony, molekuły zapełniają przestrzeń? Jak atomy, jony, molekuły są ułoŝone w przestrzeni w gazach, cieczach i ciałach stałych? Jak doświadczalnie, za pomocą jakich narzędzi wyznaczyć połoŝenia atomów, jonów, molekuł w gazach, cieczach i ciałach stałych? Jak zobaczyć niewidoczne atomy, jony, molekuły? Jak obejść zjawisko dyfrakcji światła?

9 O KRYSTALOGRAFII I DYFRAKTOGRAMACH

10 Jakie są odległości międzyatomowe w ciele stałym? Jeden metr sześcienny Cu ma masę 8920 kg. -25 Jeden atom miedzi ma masę 10 kg. W jednym metrze sześciennym jest więc ~9 10 atomów. Na jeden atom przypada objętość ( ) ~ 10 m. Zakładając, Ŝe kaŝdy atom miedzi znajduje się w środku sześcianu o boku a, wyznaczamy a 3 ο m ~ 2 10 = 0,2nm=2A

11 Dlaczego nie widzimy atomów w ciele stałym? Rozmiar liniowy atomu jest rzędu 0,1nm, odległości między atomami kilka razy większe, długość fal świetlnych 400 nm do 700 nm, co uniemoŝliwia ze względu na dyfrakcję światła bezpośrednie obserwowanie atomów

12 Jak badać przestrzenny rozkład atomów w ciele stałym? Jakich uŝyć narzędzi i metod? Metody, narzędzia zaproponowane zostały w drugiej dekadzie XX, 100 lat temu.

13 Odkrywcy, prekursorzy badań strukturalnych kryształów za pomocą promieni X, załoŝyciele krystalografii i rentgenografii strukturalnej Max von Laue, odkrywca metody wykorzystującej promieniowanie rentgenowskie do badań struktur krystalicznych (lauegramy William Lawrence Bragg), uzasadnienie nagrody Nobla w 1914 r. "For his discovery of the diffraction of X-rays by crystals, an important step in the development of X-ray spectroscopy William Henry Bragg, ojciec Uzasadnienie nagrody Nobla w 1915 r. "For their services in the analysis of crystal structure by means of X-rays, an important step in the development of X-ray crystallography William Lawrence Bragg, syn

14 Jakich uŝyć metod i środków? Metody i narzędzia zaproponowane zostały w drugiej dekadzie XX, 100 lat temu, czego wynikiem jest krystalografia. Analiza obrazów dyfrakcyjnych otrzymywanych za pomocą: promieni X, promieniowania synchrotronowego (rentgenografia strukturalna), fal materii: elektronów (elektronografia strukturalna), neutronów (neutronografia strukturalna).

15

16 Krystalografia 100 lat badań Krystalografia, najwaŝniejsze osiągnięcia 1912: Max von Laue pierwsze doświadczenie ugięcia promieniowania X na krysztale (Nobel 1914) 1913: William H. Bragg i jego syn William L. Bragg rozwiązują struktury kilku minerałów (Nobel 1915) 1934: Arthur Lindo Patterson wyprowadza nazwaną od jego nazwiska funkcję Pattersona 1949: Dorothy Hodgkin rozwiązuje strukturę penicyliny; w 1961 strukturę witaminy B12 (Nobel 1964) 1951: Linus Pauling na podstawie obserwacji krystalograficznych i właściwości wiązań chemicznych postuluje motywy alfa-helisy i beta-kartki, jako głównych motywów w białkach (Nagroda Nobla 1954) 1953: James Watson i Francis Crick, wykorzystując wyniki pracy Rosalind Franklin, która sporządziła dokładny rentgenogram sodowej soli DNA, wyjaśniają strukturę DNA (Nobel 1962) 1956: Herbert A. Hauptman i Jerome Karle udoskonalają badanie kryształów niecentrosymetrycznych (Nobel 1985) 1958: John Kendrew rozwiązuje strukturę mioglobiny pierwsze białko rozwiązane metodami krystalografii 1959: Max Perutz rozwiązuje za pomocą krystalografii strukturę hemoglobiny (Nobel 1962) 1984: Dan Shechtman odkrywa kwazikryształy w błyskawicznie schładzanym stopie glinu i manganu (Nobel z chemii 2011) Liczba nagród noblowskich 10

17 Co jest badane? Gips, uporządkowania dalekiego zasięgu CaSO4 2H2O Monokryształ kwarcu SiO2 Polikrystaliczny kwarc, uporządkowanie lokalne

18 Co jest badane? Strzegomskie monokryształy kwarcu dymnego, SiO2

19 Co jest badane? Korund Al2O3, szafir, rubin

20 Co jest badane? Kryształy sfalerytu

21 Jak otrzymuje się dyfraktogramy?

22 Jak otrzymuje się dyfraktogramy?

23 Jak otrzymuje się dyfraktogramy?

24 Schemat stanowiska pomiarowego, dyfraktogramy

25 Przykładowe dyfraktogramy (Be3Al2(SiO3)6Fe,Cr,Mn,V,Cs)

26 Przykładowe dyfraktogramy kryształu NaCl

27 Lauegramy Beryl, oś 2-krotna Woda Beryl, dowolna orientacja ZnS, sfaleryt, oś 4-krotna NaCl, oś 4-krotna

28 Jak powstają dyfraktogramy i dlaczego?

29 O FIZYCE CIAŁA STAŁEGO

30 Atomy i stany skupienia Ruch cieplny atomów, molekuł Ciała stałe: drgania atomów, molekuł wokół połoŝeń równowagi

31 Jak atomy wypełniają przestrzeń?

32

33

34

35 Przykłady komórek elementarnych Sfaleryt, ZnS CsCl

36 Jak atomy sodu i chloru wypełniają przestrzeń w soli kamiennej? Sól kuchenna, NaCl

37 PARADYGMATY (DOGMATY) KRYSTALOGRAFII

38 Podstawy, paradygmaty krystalografii klasycznej; wnioski ugruntowane, zweryfikowane doświadczalnie przez 70 lat badań od 1912 r. do 1982 r.

39 Translacyjna niezmienniczość, czyli okresowość/periodyczność rozkładu przestrzennego Symetrie obrotowe (na przykładzie parkietażu/posadzki)

40 Paradygmat/kanon krystalografii klasycznej: Kryształy mogą wykazywać określone rodzaje osi symetrii kompatybilne z translacyjną niezmienniczością!!! Są to osie: 1., 2., 3., 4. i 6. krotna/rzędu

41 ODKRYCIE KWAZIKRYSZTAŁÓW

42 Autokomentarz/wspomnienia Dana Shechtmana, ze stażu w National Bureau of Standards, USA (Narodowe Biuro Standardów, ) obecnie National Institute of Standards and Technology (Narodowy Instytut Standardów i Technologii) Wywiad z Danielem Shechtmanem na YOU TUBE

43 Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry, D. Shechtman, I. Blech, D. Gratiasand J.W. Cahn, Phys. Rev. Lett. 53, 1951 (1984)

44

45 D. Shechtman badał elektronogramy dyfraktogramy będące obrazem dyfrakcji elektronów (fal materii) o niskiej energii metoda polega na bombardowaniu skolimowaną wiązką elektronów o energii ( ev) powierzchni i obserwacji dyfrakcji elektronów na ekranie fluorescencyjnym.

46 Lauegramy Beryl, oś 2-krotna Beryl, dowolna orientacja Faza ikosaedryczna, oś 5-krotna ZnS, sfaleryt, oś 4-krotna NaCl, oś 4-krotna

47 Diffraction Patterns of Quasicrystals (2/2) - Icosohedral quasicrystal # Źródło: lassp.cornell.edu#science #materials #diffraction #pattern #crystollograp HgMgZn

48 OPONENCI

49

50 Linus Pauling ( ) amerykański fizyk i chemik. Dwukrotny laureat Nagrody Nobla: 1954 w dziedzinie chemii za badania fundamentalnych właściwości wiązań chemicznych i ich zastosowanie do poznania struktur chemicznych 1962 pokojowa nagroda Nobla za wkład w kampanię przeciwko próbom z bronią jądrową, która przyczyniła się do zaprzestania przez USA i ZSRR przeprowadzania próbnych wybuchów jądrowych w atmosferze.

51 KRYSTALOGRAFIA WSPÓŁCZESNA

52 Stara i nowa definicja kryształu Międzynarodowa Unia Krystalografii Kryształem nazywamy fizycznie i chemicznie jednorodne i anizotropowe ciało stałe o prawidłowo (okresowo) powtarzającym się w trzech wymiarach rozmieszczeniu atomów, jonów lub cząsteczek, czyli ciało wykazujące określony tzw. translacyjny porządek dalekiego zasięgu (1956). Kryształem nazywamy ciało stałe dające dyskretny (nieciągły) obraz dyfrakcyjny (1991) Crystal: Any solid having an essentially discrete diffraction diagram To nie jest kryształ

53 International Crystallographic Union, w kwietniu 1991 r. zadeklarowała, Ŝe:

54 Kwazikryształy podstawowe właściwości Nieokresowe uporządkowanie dalekiego zasięgu atomów (ostre piki Bragga) Niekrystalograficzne symetrie obrotowe (5, 8, 12) niekompatybilne z okresowością

55 NOWA KLASYFIKACJA CIAŁ STAŁYCH

56

57 Stara krystalografia Początek rewolucji w krystalografii Krystalografia współczesna

58 SYMETRIE DYFRAKTOGRAMÓW SHECHTMANA

59 Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry, D. Shechtman, I. Blech, D. Gratiasand J.W. Cahn, Phys. Rev. Lett. 53, 1951 (1984)

60 Elektronogramykwaziperiodycznegostopu metalicznego Al6 Mn Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry, D. Shechtman, I. Blech, D. Gratiasand J.W. Cahn, Phys. Rev. Lett. 53, 1951 (1984)

61 BRYŁY PLATOŃSKIE

62 Dwudziestościan (ikosaedr) foremny 20 ścian trójkąty równoboczne 30 krawędzi, 12 wierzchołków wg Platona symbol Ŝywiołu: woda Mg-Zn-Ho` Dwunastościan (dodekaedr) foremny 12 ścian pięciokąty foremne, 30 krawędzi 20 wierzchołków wg Platona symbol Wszechświata, kosmosu

63 Bryła platońska Dwudziestościan (ikosaedr) foremny 20 ścian trójkąty równoboczne 30 krawędzi, 12 wierzchołków wg Platona symbol Ŝywiołu: woda Identyczność Elementy symetrii 12 5-krotne osi obrotu o krotne osi obrotu o krotne osi obrotu o krotne osi obrotu o 180 Środek inwersji 12 przemienna 10-krotna oś symetrii obrotu o przemienna 10-krotna oś symetrii obrotu o przemienna 6-krotna oś symetrii obrotu o płaszczyzn odbicia 120 elementów symetrii

64 Bryła platońska Dwunastościan (dodekaedr) foremny 12 ścian pięciokąty foremne 30 krawędzi, 20 wierzchołków Wg Platona symbol Wszechświat, kosmosu Wielościan foremny (bryła platońska) wielościan spełniający następujące trzy warunki: ściany są przystającymi wielokątami foremnymi, w kaŝdym wierzchołku zbiega się jednakowa liczba ścian, jest bryłą wypukłą

65 PowyŜej kryształ fluorytu Bryła platońska Ośmiościan (oktaedr) foremny 8 ścian trójkąty równoboczne 12 krawędzi, 6 wierzchołków Wg Platona Ŝywioł powietrze

66 Bryła platońska Sześcian (heksaedr) foremny 6 ścian kwadraty 12 krawędzi, 8 wierzchołków Wg Platona Ŝywioł - ziemia

67 Bryła platońska Czworościan (tetraedr) foremny 4 ściany trójkąty równoboczne 6 krawędzi, 4 wierzchołki Wg Platona Ŝywioł - ogień

68 ZASTOSOWANIA KWAZIKRYSZTAŁÓW

69 Jakie są nowe właściwości fizyczne wykazują kwazikryształów? Najbardziej twarda stal jest wytwarzana przy uŝyciu kwazikryształów!!! Najbardziej odporne na ścieranie powierzchnie są powlekane kwazikryształami!!! Kwazikryształy najgorszymi przewodnikami ciepło!!! Są najlepszymi izolatorami ciepła (osłony adiabatyczne)!!!

70 Ile jest znanych materiałów kwazikrystalicznych? Ponad 100 róŝnych stopów metalicznych, trój-, cztero- i więcej składnikowych Fizyka QCsi struktur aperiodycznych nowa dziedzina fizyki fazy skondensowanej

71 Pierwszy naturalny kwazikryształ Discovery of a Natural Quasicrystals L Bindi, P. Steinhardt, N. Yao and P. Lu, Science 324, 1306 (2009)

72 Pośrodku próbka minerału (skały wulkanicznej) zawierającego inkluzje i-al 63 Cu 24 Fe 13, patrz górny fragment rys. B objęty czerwonymi kropkami.ośrednicy 0,1 mikrometra. Dyfraktogramy wskazują na kwaziperiodyczny charakter minerału.

73 Pierwszy naturalny kwazikryształ

74

75

76

77 KRYSTALOGRAFIA KWAZIKRYSZTAŁÓW

78 Jak atomy są ułoŝone w objętości kwazikryształów? Jak atomy mogą być ułoŝone na płaszczyźnie? Skonstruujemy okresowe pokrycie płaszczyzny. Zadanie łatwe! Stworzymy płaską sieć/parkietaŝ. Skonstruujemy nieokresowe pokrycie powierzchni. Zadanie trudne! Stworzymy płaską kwazisieć, parkietaŝ NIEOKRESOWY!!!

79 Pokrycie płaszczyzny za pomocą skończonej liczby figur płaskich w sposób periodyczny/okresowy i taki aby figury nie przekrywały się a pokrycie było pełne jest zadaniem banalnie prostym!

80 Sposób pierwszy TAK!

81 Sposób drugi TAK!

82 Sposób trzeci TAK!

83 Sposób czwarty TAK!

84 Sposób piąty TAK!

85 ? NIE!

86 ? NIE!

87 Jak pokryć płaszczyznę za pomocą skończonej liczby figur płaskich w sposób nieperiodycznyi taki aby figury nie przekrywały się a pokrycie było pełne?

88 Jak pokryć płaszczyznę za pomocą skończonej liczby figur płaskich w sposób nieperiodyczny i taki aby figury nie przekrywały się a pokrycie było pełne? Przykładowe próby

89 Przykłady prób. Grafiki M.C. Eschera ( ) grafiki

90 Przykłady prób. ( Eschera Platona Archimedasa Jonhsona ParkietażPenrose'azłożony jest z rombów ułożonych tak, aby żadne sąsiednie romby nie tworzyły razem równoległoboku.

91 Do tworzenia płaskich dekoracji, artystycznego pokrywania płaszczyzn, komponowania mozaik (strapwork) używa się wielu ornamentów (ozdobników), m.in. gwiazd, wielokątów, linii, pasemek, które przeplatają się wzajemnie, a także rysunków roślin, wizerunków zwierząt i postaci.

92 Jak pokryć płaszczyznę za pomocą skończonej liczby figur płaskich w sposób nieperiodycznyi taki aby figury nie przekrywały się a pokrycie było pełne?

93 Jak pokryć płaszczyznę za pomocą skończonej liczby figur płaskich w sposób nieperiodyczny i taki aby figury nie przekrywały się a pokrycie było pełne? Do lat 60. XX w. sądzono, że płaszczyznę można pokryć tylko w sposób periodyczny! W roku 1964 Robert Berger konstruuje nieperiodycznepokrycie płaszczyzny używając różnych płaskich figur/szablonów. Zredukował do

94 Jak pokryć płaszczyznę za pomocą skończonej liczby figur płaskich w sposób nieperiodyczny i taki aby figury nie przekrywały się a pokrycie było pełne? Aperiodyczny parkiet/parkietaż Rogera Penrose a The role of aesthetics inpureand applied mathematicalresearch The Institute of Mathematics andits Applications Bulletin, Vol. 10, No. 7/8. (July 1974), pp Liczba płytek zredykowanado 4.

95

96 Przy uŝyciu powyŝszych figur moŝliwe jest periodyczne pokrycie płaszczyzny!

97 Przy uŝyciu powyŝszych figur moŝliwe jest nieperiodyczne pokrycie płaszczyzny!

98 Przy uŝyciu powyŝszych figur moŝliwe jest periodyczne i nieperiodyczne pokrycie płaszczyzny!

99 Konstrukcja Ammana Przy uŝyciu powyŝszych figur moŝliwe jest nieperiodyczne pokrycie płaszczyzny! Muszą zgadzać się wierzchołki i linie!

100 Konstrukcja Roberta Ammanna uwidacznia ukrytą symetrię aperiodycznego pokrycia

101 ParkietaŜ Penrose a jest nie tylko nieperiodycznym pokryciem. Wykazuje kwaziperiodyczne właściwości!

102 Proste wyróŝnionej rodziny są ułoŝone tak, Ŝe tworzą kwaziperiodyczną sieć Fibonacciego

103

104 Roger Penrosei parkietażwykonany (po lewej) z wykorzystaniem jego patentu (po prawej oktagonalna wersja)

105 Czy aperiodyczne pokrycia płaszczyzny znane były wcześniej?

106 Wzmianka historyczna. Struktury aperiodyczne i ascetyczny świat islamu Do tworzenia płaskich ornamentów, dekoracji, mozaik (strapwork) używa się m.in. gwiazd, wielokątów, linii i pasemek, które przeplatają się wzajemnie. W kulturze islamu, ten typ dekoracji nosi nazwę girih. Islamscy twórcy mozaik, zdobiących zewnętrzne mury budynków kultury muzułmańskiej (zakaz wiernego odtwarzania świata): meczetów, ma(e)drasów, pałaców używali 5 płytek/kafelków (tiles)

107 Mozaiki Islamu

108 Mozaiki Islamu c.d.

109 Mozaiki Islamu

110

111 pattern: wzór, deseń, wzorzec, płaski motyw, wykrój, szablon, płaska forma

112

113 NAGRODA NOBLA Z CHEMII DLA DANIELA SHECHTMANA. DLACZEGO? ODKRYCIE NOWEGO TYPU MATERIAŁÓW FIZYKA STRUKTUR APERIODYCZNYCH NOWA DZIEDZINA FFS/FCS DETERMINACJA, WIARA WE WŁASNE WYNIKI, ODKRYCIA ZŁAMANIE SYMETRII KRYSTALOGRAFICZNYCH (NATURA NIE ZNOSI PRÓśNI)

114

115 THE END 115