Наука 2.0 Валентин Крапошин: квазикристаллы нарушают теорему Пифагора

У квазикристаллов уникальная симметрия - пятого порядка. Что это значит? О квазикристаллах доктор технических наук, материаловед Валентин Крапошин рассказал в совместной программе "Полит.ру" и радио "Вести ФМ" "Наука 2.0".

Кузичев:  В  эфире  "Наука 2.0" - совместный проект радиостанции "Вести ФМ" и портала "Полит.ру". Дмитрий Ицкович, Борис Долгин - это от портала "Полит.ру". Анатолий Кузичев - от "Вестей ФМ".  И Валентин Сидорович Крапошин, второй раз подряд наш гость.   Доктор технических наук, профессор кафедры материаловедения МГТУ имени Баумана и председатель редколлегии журнала "Металловедение и термическая обработка металлов".  Мы продолжаем говорить о материалах разных. И сегодня о чем мы хотели?

Ицкович: Мы хотели про Нобелевскую премию по химии.

Кузичев: Да, да-да-да, про квазикристаллы, про вот это, про пятый порядок, оси... Звучит ужасно интригующе.

Ицкович: Что-то там такое было потрясающее...

Долгин: Да, на этом остановились. Но мы потом еще о многом разном поговорим.

Крапошин: Они и меня лично интересуют. У меня есть публикации по квазикристаллам, в том числе и в международных журналах.

Кузичев: Так.

Крапошин: В том числе и поэтому я отмечаю, что эта премия, Нобелевская премия, выделяется из других. Ну, все Нобелевские премии хороши, действительно хороши. Но вообще в конце 20 века и в начале этого вот эти несколько Нобелевских премий было как раз по материалам. Сразу приношу извинения, я фамилии не помню Нобелевских лауреатов наизусть. Это высокотемпературные сверхпроводники - это 1986 примерно год. Это Беднорц и Мюллер, по-моему... Лучше не вспоминать, я могу... Все их знают. Потом было открытие фуллеренов - новой формы углерода, молекулы в виде футбольного мяча.

Кузичев: А-а-а...

Крапошин: Вот эти квазикристаллы, это тоже материалы. Ведь Дэниэл Шехтман открыл их, это не экзотические материалы, а он их открыл в сплаве промышленном - алюминия с марганцем. И была премия, как-то она называлась, про магниторезистивный эффект. Это всё премии по материалам. И я хочу подчеркнуть, что все эти эффекты, новые материалы с новыми свойствами, все они были... я их называю "пропущенными решениями", они не следовали ни из какой теории. Хотя, например, по высокотемпературной сверхпроводимости до этого были уже две Нобелевские премии, до этого были уже по сверхпроводимости, а вот это новая премия - за высокотемпературные сверхпроводники, она была дана, можно сказать, автоматически. Там, по-моему, сам Нобель записал, что кто откроет сверхпроводник с критической температурой больше 20-30 градусов (там было написано сколько)...

Кузичев: Тому премию.

Крапошин: Тому премию, просто нечего даже рассматривать. А они сделали 90 градусов, так что можно было в жидком азоте охлаждать, все получать. Вот я подчеркиваю, что это всегда полная неожиданность для всех физиков и химиков.

Кузичев: Ага...

Крапошин: И вот "футбольный мяч" можно было открыть 100 лет назад, о чем и сказал Нобелевский лауреат по химии, ныне покойный, Лайнус Полинг. Он хлопнул себя по лбу, буквально (я читал интервью с ним): "Как же я не открыл, не догадался про этот шарик, когда я такой шарик наблюдал в сплавах алюминия!" И он действительно в сплавах алюминий-магний-кремний, вот промышленных, он и один из его аспирантов (и у меня эта работа дома есть) давно этот точно такой же "футбольный мячик", только в сплавах алюминия с магнием и цинком, давно они обнаружили рентгеновским способом. Это фуллереном там не называлось, просто этот "мячик" там внутри алюминиевых сплавов был. Поэтому Полинг так и сказал, он еще был жив, к счастью, он там до 97 лет дожил, там кристаллохимики долго обычно живут.

Кузичев: А вот это интересно!

Ицкович: Хорошая профессия, кстати говоря. Толя, я понял твою тягу к материаловедению.

Крапошин: Конечно, конечно.

Кузичев: Так, подождите, вернемся давайте все-таки к квазикристаллам.

Крапошин: Да, кстати, Полинг и по ним, и о них...

Ицкович: Себя по лбу бил...

Крапошин: Да, совершенно верно. Там дело в том, что это слово такое... Ну, "квази" - это, понимаете, это как бы отрицание, что он вроде как кристалл...

Долгин: Псевдо.

Кузичев: Псевдо.

Крапошин: Псевдо, да. Его выбирали долго как назвать. Здесь можно объяснить так же просто, как и я вам объяснил эффект закалки - открываете пиво.

Кузичев: Да.

Кропошин: Так же просто можно объяснить. Вот вы если паркет будете выкладывать у себя дома, вы паркет пятиугольниками выложить не можете.

Кузичев: Да, все равно будут деталечки, да.

Крапошин: Щели будут, совершенно правильно, совершенно правильно. Ну, я вижу материаловед там готовый сидит, совершенно правильно. Поэтому паркеты выкладываются квадратиками или шестиугольниками. Бывают, кстати, и восьмиугольные паркеты, это очень важно, но там маленькие квадратики между ними вставляются.

Кузичев: Да.

Кропошин:  Это просто следствие теоремы Пифагора, и больше ничего. Ну, как устроен этот квадрат - больше, больше...

Кузичев: Да, понятно.

Крапошин: И вот, значит, поскольку паркет, то есть периодически выложить пятиугольники нельзя, то в кристаллах нет осей симметрии пятого порядка. Что это такое? Вертеться может. Ну, вот вы квадрат можете вертеть вокруг точки? Это в школе, может быть, проходили, на четверть оборота квадрат опять будет выстраиваться как квадрат, ничего с ним не случилось. Вы и пятиугольник можете вертеть на одну пятую поворота, пожалуйста. У фигуры, у отдельной, даже у пятиугольной, вы можете поворачивать на угол одну пятую и получать тот же пятиугольник. Но если вы хотите из  пятиугольников выложить структуру периодическую, это не получится, это запрещено вот этой теоремой. И поэтому когда кристаллические снимают структуры, там есть такие способы, когда видно, какая у нее ось, там пятнышки располагаются в виде шестиугольников, треугольников или квадратов. А у Дэниэла Шехтмана выложилось в виде пятиугольников. На самом деле и другие наблюдали такой эффект, просто смелый он один, это отважный человек. Потому что те люди, кто до него такие же эффекты получал, там есть у нас такие способы...

Кузичев: Боялись сказать об этом.

Крапошин: С помощью рентгеновских лучей мы просто сразу видим на какой угол можно вращать.

Кузичев: Так.

Кропошин: Вот, они просто боялись публиковать. Потом многие признавались, что видели такое же.

Ицкович: А видели-то где?

Крапошин: А, ну это специальные мы рентгенограммы снимаем, это у нас есть специальный метод: как увидеть кристаллическую решетку.

Кузичев: Как?

Крапошин: Это путем... ну, ее видят... ну, рентгеновский луч бросают или электронный луч, происходит дифракция... Я боюсь заполнять свою речь этими специальными терминами.

Ицкович: Ничего, ничего, ничего, мы рады таким словам.

Кузичев: Нормально, нет, наши слушатели подготовлены. Они такое слушали, наши слушатели, что вы! Ой, такое слышали...

Крапошин: Понятно, понятно. В школьной физике, в оптике проходят: дифракция световых лучей.

Кузичев: Да.

Кропошин:  Если вы на решетку, на обычную сетку бросите свет, то если размер этих ячеечек в решетке близок к длине волны падающего света, то вы не увидите решетку, насквозь она не просветит, а увидите так называемую дифракционную картину - набор светлых и темных пятен. В школе это проходят - интерференция и дифракция.

Кузичев: Так.

Крапошин: А здесь мы бросаем не свет, а рентгеновский свет. Ведь рентгеновское излучение - это тоже свет, только длина волны там не полмикрона, а пять тысячных микрона, вот так. И тогда бросаем их на кристаллическую решетку металла или любого кристалла и получаем дифракцию, картину дифракционную, которую ее фотографируем, и по ней, там измеряя все, что нужно измерять, мы узнаем, как устроена кристаллическая решетка. И поэтому там сразу расположение пятен на фотопленке будут в виде квадрата, треугольника или шестиугольника, другого быть не может. А у Дэниэла Шехтмана - пятиугольник, очень красивая электронограмма. И еще раз говорю: он просто огромное сделал, он отважный человек, он опубликовал эту работу.

Долгин: И ему сразу не поверили, кажется, да?

Крапошин: Ему пришлось взять в соавторы трех людей - авторитетных профессоров из Англии, Франции, математика взять им пришлось. Первая публикация - четыре человека. Он фактически, Нобелевскую премию ему дали за одну статью 1984 года. В этой статье четыре автора, но Нобелевский комитет правильно во всем хорошо разобрался, и дали ему одному.

Ицкович: А где же эти кристаллы встречаются?

Крапошин: Везде!

Ицкович: "Везде" - хорошее, мне нравится.

Крапошин: Да. Он открыл это в сплаве алюминия с марганцем. Он хотел (то, что мы говорили в первой части), хотел сделать металлическое стекло в сплаве алюминия с марганцем. Значит, он его выплавил, вылил струечку на медный барабан, как все делают, думал, что получит стекло, то есть отсутствие дифракционной картины, снял на рентгенограмму и ужаснулся: там было пять  пятен, значит, вместо шести или четырех. И тогда весь мир, значит, перевернулся. Сейчас это одно из интереснейших направлений в области физики конденсированного состояния и материаловедения: как это так, ось пятого порядка, хотя она запрещается теоремой, я подчеркиваю, не какими-то там, а теоремой Пифагора запрещается.

Ицкович: Ну и как она тем, если она запрещается? Вот запрещается, а она есть. Это же безобразие, в конце концов!

Крапошин: Это безобразие, совершенно правильно вы определили, это полное безобразие. Математики там налетели, придумали специальную... Кстати, математика, она идет впереди физики и химии лет на 50-70 всегда в среднем, поэтому у математиков уже было готов узор Пенроуза. Пенроуз - это фамилия английского математика, который давно показал, как можно плоскость заполнить так, чтобы не было периодичности. И он это  показал.

Кузичев: Так, понятно. Пенроуз - это не Роджер? А он же вроде физик?

Долгин: Нет, он математик.

Крапошин: Математик, да-да. И картинки очень красивые, когда их раскрашивают. Там он показал, что для этого вам надо, значит,  паркет заполнять ромбиками двух сортов: один ромбик должен быть остренький и должен быть тупой, обязательно острый и тупой. И тогда можно, выполняя некоторые правила, которые он сформулировал, тогда вы можете заполнить плоскость без повторения, ни один ромбик позицию свою повторять не будет.

Долгин: А в квазикристаллах именно такая ситуация? То есть отсутствует периодичность?

Крапошин: Ну, теоретики и предположили, что поскольку действительно здесь случился вообще огромный конфликт, потому что сам вид интертрадиционной картины вот этой дифракции говорит о том, что вещество уложено однородно, высокосимметрично - все как положено в кристаллах. Более того, их само поведение внешнее - как они ведут себя при нагреве, как они выглядят, в какой форме они кристаллизуются - они ведут себя как обычные кристаллы, кроме одного: они дают вот эту... нарушают теорему Пифагора полностью.

Кузичев: Ага...

Долгин: То есть нигде в свойствах эта специфика не отражается?

Крапошин: Да-да. У них есть сильное отличие в свойствах тоже, над ним работают отдельно физики, отдельно работают. У меня недавно защитился аспирант из матнауки как раз по поводу, объясняющее аномалию свойств, магнитную аномалию.  У них есть магнитная аномалия, есть электрическая аномалия. У нас вот успешно защитился аспирант на нашей кафедре, под моим руководством. Это все связано с особой структурной укладкой атомов. И поэтому я и сказал, и вот продолжаю считать, что хотя сами эти объекты пока серьезного практического применения не нашли, но сам факт их существования в конструкции нашей Вселенной (или некоторые говорят "создатель Вселенной") указал нам, что есть другие принципы организации структуры вещества. Вот это самое главное достижение вот этого открытия.

Кузичев: Это и пугает на самом деле. Ну, представьте себе, вот у нас есть законы физики, они  непререкаемы. И вдруг вы нам заявляете, вот к нам в гости пришел физик: вы знаете, если подбросить камень вверх, он улетит и не упадет на землю.

Долгин: Ну, собственно в физике вообще-то примерно так и происходит, время от времени говорят...

Кузичев: В квантовой физике, в квантовой физике.

Долгин: Ну, в физике в целом так происходит. Говорят, что да, для таких-то параметров, в таком-то как бы мире это так. Но при изменении параметров мы имеем более широкий закон, в котором это учитывается как вариант.

Кузичев: Нет, подожди, законы физики непререкаемы. Зачем ты меня переубеждаешь?

Крапошин: Это вы совершенно правильно...

Ицкович: Так чего там случилось-то? Это не плоскость просто, или что?

Крапошин: Сейчас, сейчас, сейчас...

Кузичев: Нет, стоп! Возвращаемся через две минуты.

Полностью слушайте в аудиоверсии.