Михаил Левицкий - Карнавал молекул. Химия необычная и забавная

В 1984 г. Шехтман по приглашению своего прежнего коллеги Джона Кана вернулся на работу в лабораторию Национального бюро стандартов США, именно туда, где он впервые наблюдал необычную дифракционную картину. Авторитетный физик Джон Канн поддержал исследования, кроме того, к работе был привлечен высококвалифицированный французский кристаллограф Денис Гратиас. В результате они направили в самый авторитетный физический журнал Physical Review Letters статью, которая в ноябре 1984 г. и была опубликована.

Статья вызвала сенсацию и одновременно недоверие. Для того чтобы каждый исследователь мог сам наблюдать необычное явление, Шехтман многократно описывал методику приготовления образца и условия съемки. Очень скоро начали поступать сообщения из разных стран мира, подтверждающие результаты эксперимента.

Тем не менее лишь немногие осознали сенсационность открытия. Буквально через месяц после выхода в свет статьи Шехтмана, в декабре 1984 г., в том же журнале появилась статья американских физиков Дова Левина и Пола Стейнхардта, в которой они объяснили процесс формирования необычного вещества. Столь маленький временной разрыв между выходом двух материалов объясняется тем, что авторы второй статьи имели возможность прочесть работу Шехтмана до выхода в печать, поскольку редакция именно Стейнхардту отправила статью на рецензию. Левин и Стейнхардт стали первыми физиками, кто связал результаты Шехтмана с уже существовавшими к тому моменту математическими разработками, которые, естественно, не были знакомы большинству химиков. Кроме того, Левин и Стейнхардт впервые употребили термин «квазикристалл», т. е. мнимый кристалл. Российские физики П.А. Калугин, А.Ю. Китаев и Л.С. Левитов не имели возможности (как Левин и Стейнхардт) ознакомиться со статьей Шехтмана до публикации, но сразу после ее появления опубликовали в «Журнале экспериментальной и теоретической физики» (1985) исследование на ту же тему.

Итак, лишь очень небольшая группа ученых смогла оценить новое явление. До полного признания открытия было еще далеко.

Многие ведущие ученые не приняли выводы Шехтмана, но что было самым драматическим – это враждебное отношение выдающегося химика ХХ в. Лайнуса Полинга, дважды лауреата Нобелевской премии, считавшегося непререкаемым авторитетом в химии. На одной из конференций Американского химического общества (Полинг был его президентом), собравшей свыше тысячи химиков, он сообщил: «Дан Шехтман говорит ерунду. Не существует такого понятия, как квазикристаллы, есть только квазиученые».

В первые годы после публикации результатов открытия поддержка была только со стороны немногочисленных физиков и математиков, а кристаллографы имели серьезные возражения. Дело в том, что Шехтман использовал электронную дифракцию, но основной инструмент кристаллографов – рентгеновская дифракция. Они полагали, что все это похоже на ситуацию, когда инженер-механик пытается объяснить кардиохирургу, как следует делать операцию. И на этом основании утверждали, что выводы Шехтмана неверны, а его самого кристаллографом не считали. Сложность состояла в том, что для рентгеновских исследований необходим специально выращенный одиночный кристалл, получить который из сплава достаточно сложно. Тем не менее в 1987 г. в ряде лабораторий ученые смогли вырастить из различных сплавов квазикристаллы, пригодные для рентгеновских исследований (рис. 5.66 и 5.67).

Таким образом было получено окончательное доказательство правоты Шехтмана. Спустя пять лет после открытия научное сообщество признало существование квазикристаллов, и только Лайнус Полинг продолжал оставаться в оппозиции. Постепенно отношение Полинга менялось, в начале 1990-х гг. он предложил Шехтману написать совместную статью о квазикристаллах. Шехтман, несмотря ни на что, относился к Полингу с глубоким уважением и потому ответил: «Почту за честь иметь такого соавтора, но Вы должны признать, что квазикристаллы все-таки существуют». Величественный Полинг еще колебался и при этом добавил, что, пожалуй, такое утверждать рано. Совместной статьи так и не суждено было появиться – в 1994 г. Полинга не стало.

В своей нобелевской лекции Шехтман показал на экране портрет Лайнуса Полинга и кратко рассказал обо всей этой истории. Можно понять ученого, пережившего полное отрицание его работ и получившего в итоге самую высокую из всех возможных наград.

Окончательная победа пришла в 1992 г., когда в результате открытия Шехтмана Международный союз кристаллографии изменил определение того, что называют кристаллом. Теперь их определяют как материалы с дискретной дифракционной картиной (в виде отдельных точек). Упоминание о периодичности было удалено, квазикристаллы официально вошли в семейство кристаллов. Тот самый сплав Al 6Mn, с которого все началось, был назван в честь первооткрывателя шехтманитом.

Разобраться в новом явлении помогли предшествовавшие математические работы, а потому вновь вернемся к мозаикам. Оказалось, что плоские непериодическиемозаики возможны, причем это было результатом интенсивного математического поиска, никак не связанного ни с химией, ни с физикой. История показывает, что математики часто разрабатывают новые, совершенно абстрактные теории и представления, которые, по их мнению, не имеют никакого практического значения, однако физики и химики со временем начинают использовать эти разработки в качестве инструмента для описания реально наблюдаемых явлений.

В 1961 г. математик Хао Ванг высказал гипотезу, что любая мозаика из повторяющихся элементов всегда периодична. В 1966 г. его ученик Роберт Бергер показал, что гипотеза Ванга неверна и в доказательство представил набор из 20 426 плиток, которые могли замостить неограниченно расширяющуюся плоскость, образуя непериодическую мозаику. Через некоторое время он, впрочем, сумел сократить число необходимых плиток до 104.

Математики заинтересовались новой проблемой и стали искать варианты таких мозаик, состоящих из меньшего количества составляющих плиток. В 1971 г. Р. Робинсон предложил всего шесть плиток для непериодического замощения плоскости.

Несмотря на то что герой нашего рассказа Д. Шехтман, воздадим должное математику, работы которого помогли понять то, как устроены квазикристаллы. Это английский математик Роджер Пенроуз (рис. 5.68). Поскольку он не только заложил основы теоретического подхода к квазикристаллам, но и подключился к их изучению, следует сказать немного о нем самом. Пенроуз возглавляет кафедру математики Оксфордского университета, активно и успешно работает в различных областях математики, общей теории относительности и квантовой теории, однако квазикристаллы, вероятно, обладают удивительным свойством уводить ученых в сторону от основных занятий (далее будет рассказано о еще одном подобном случае). Имя Пенроуза, возможно, некоторым знакомо благодаря созданному им (совместно с отцом Лайонелом Пенроузом) «невозможному треугольнику», который в литературе называют треугольником Пенроузов. Этот треугольник вызывает странное чувство «правильности» и одновременно «невозможности». Вслед за треугольником появилась масса вариантов других невозможных конструкций, напоминающих те, что были показаны выше (рис. 5.69).