Zabronione kryształy

Tomasz Rożek

GN 41/2011 |

publikacja 13.10.2011 00:15

Tegoroczna Nagroda Nobla z chemii została przyznana za odkrycie, które większość środowiska przez lata uznawała za niemożliwe. Daniel Shechtman okazał się bardzo upartym człowiekiem.

Daniel Shechtman otrzymał tegoroczną nagrodę w dziedzinie chemii pap/epa/OLIVER WEIKEN Daniel Shechtman otrzymał tegoroczną nagrodę w dziedzinie chemii

Ten upór się opłacił. Udało się przekonać kolegów naukowców, że ich dotychczasowa wiedza jest mocno niepełna. A wszystko zaczęło się w 1982 roku. Młody izraelski naukowiec rozpoczął wtedy badania struktury krystalicznej stopu glinu (aluminium) i manganu. Szybko okazało się, że widzi kryształy, których w przyrodzie w ogóle nie powinno być.

Śmiech kolegów

Gdy w kwietniu 1982 r. Daniel Shechtman spojrzał na wyniki swoich badań, sam nie mógł w nie uwierzyć. Obraz, jaki uzyskał z mikroskopu elektronowego, przeczył zdrowemu rozsądkowi. Co gorsza, podważał dotychczasowe reguły przyjęte przez naukę. Materiał, który badał Shechtman (stop glinu i manganu), tworzył kryształy o symetrii pięciokrotnej – coś, czego, jak się zdawało, w przyrodzie nie ma. Młody naukowiec pokazał wyniki swoich prac kolegom z laboratorium, ale, jak wspominał po latach, „ludzie po prostu śmiali mi się w twarz”. Opór środowiska był tak silny, że Shechtman został zmuszony do zmiany pracy. Musiał opuścić Waszyngton, bo – jak określił to dyrektor administracyjny jego grupy badawczej – „przynosi wstyd kolegom”. Po powrocie do Izraela, Shechtman kontynuował swoje badania, a ich wyniki opublikował dwa lata po pierwszym odkryciu. Znalezienie pisma gotowego na druk jego pracy też nie było łatwe. Zanim zgodził się na to „Physical Review Letters”, dwa inne prestiżowe czasopisma jego artykuł odrzuciły. Nawet po publikacji środowisko naukowe nie zaakceptowało otrzymanych wyników. Jeden z największych naukowców swoich czasów, krystalograf i dwukrotny laureat Nagrody Nobla (z dziedziny fizyki i pokojowej) Linus Pauling stwierdził że „nie ma czegoś takiego jak kwazikryształy, są za to kwazinaukowcy”.

Wszystko tu pasuje

Nazwę kwazikryształy, czyli niby-kryształy stworzył nie sam Shechtman, tylko dwaj amerykańscy fizycy. Po przeczytaniu publikacji o dziwnych kryształach, przypomnieli sobie wcześniejsze prace matematyków, którzy próbowali stworzyć niepowtarzalną układankę. Układając np. puzzle, dojdziemy do wniosku, że ich wzór co jakiś czas się powtarza. Czy da się stworzyć taką układankę, by jej wzór był niepowtarzalny? By każdy jej element był oryginalny, ale by równocześnie wszystko do siebie pasowało? Tak, to można zrobić. Problem rozwiązał w latach 70. XX w. brytyjski matematyk prof. Roger Penrose. Udało mu się taką układankę ułożyć, mając do dyspozycji tylko dwa rodzaje „klocków”. Problem był więc znany, ale tylko w dwóch wymiarach (układanki są przecież płaskie). Na początku lat 80. XX wieku (w tym samym roku, w którym tegoroczny laureat uzyskiwał pierwsze „dziwne” wyniki), inny brytyjski matematyk spróbował niepowtarzającą się układankę Penrose’a ułożyć w trzech wymiarach. Podobnie jak puzzle, które można układać na płaskim stole, ale można też w przestrzeni, o ile kupi się odpowiedni zestaw trójwymiarowych klocków.

Szybko okazało się, że to, co udało się Penroseowi „na płaskim”, da się także zrobić w przestrzeni. Był rok 1982. Dwaj naukowcy, niemający o sobie pojęcia, doszli do tego samego. Daniel Shechtman zaobserwował „zabronione” przez naukę kryształy pod mikroskopem, a Alan Mackey stworzył je teoretycznie. Żaden z nich nie nazywał tego, co stworzył czy zaobserwował. Dwa lata później, w 1984 roku, dwaj amerykańscy fizycy Paul Steinhardt i Dov Levine zebrali obserwacje Shechtmana (tegorocznego noblisty) oraz prace teoretyczne Mackeya (tego od trójwymiarowych układanek) i opublikowali pracę, w której po raz pierwszy pojawiło się określenie „kwazikryształy”.

Natura jest kapryśna

Na czym polega niezwykłość odkrytych kryształów? Skąd tak silny opór środowiska naukowego? Dla osób niewykształconych kierunkowo może się to wydawać zaledwie szczegółem, ale odkrycie kwazikryształów zachwiało całą krystalografią. Dotychczas uważano (i obserwowano to), że wszystkie kryształy w przyrodzie (począwszy od kryształów lodu, przez różnego rodzaju białka i metale) są uporządkowane i powtarzalne. Składają się z klocków. Mając jeden taki klocek (tzw. komórkę elementarną), możemy ułożyć z niej dowolnie wielki kryształ. Kwazikryształy są inne. Choć są uporządkowane, są niepowtarzalne. Z tych samych klocków układa się wzór, który w każdym miejscu jest inny. Nie inny z powodu wad czy pomyłek w sieci krystalicznej. Ta inność, oryginalność i niepowtarzalność jest doskonale uporządkowana. Ot, taki kaprys natury.