Михаил Левицкий - Карнавал молекул. Химия необычная и забавная

Появление подобных узоров относят к XIII в., а в XV в. они стали распространенными. Большинство специалистов полагает, что столь сложные орнаменты не могли возникнуть случайно в процессе работы мастеров при отделке зданий. Анализ, проведенный современными исследователями, показал, что в них были соблюдены те же принципы, которые столетия спустя сформулировал Пенроуз. По-видимому, уровень развития средневековой математики на Востоке был значительно выше, чем считалось до сих пор, ведь придумать такой орнамент без специальных математических знаний практически невозможно. Известно, что в XV в. из исламского мира в Европу пришли математические понятия и дисциплины, такие как тригонометрия и алгебра. Но оказалось совершенно неожиданным и удивительным, что средневековые мастера смогли придумать орнаменты, которые были через пять столетий заново созданы и разработаны современными математиками.

Интересно, что изменилась и терминология: под влиянием открытия Шехтмана все древние непериодические мозаики стали называть квазикристаллическими.

Вновь вернемся к упоминавшейся ранее музыке. Произведение «Take Five», написанное в размере 5/4, произвело небольшую революцию в музыке, но постепенно выяснилось, что необычные размеры (13/4, 15/4, 21/4) давно существуют в народных танцах жителей Балканских стран: например, болгарский танец «Sedi Donka» имеет размер 25/4. В этом танце нет эффектных прыжков и пируэтов, группа танцоров, выстроившись в шеренгу и взявшись за руки, притопывает, делая шаги вперед, назад и вбок. Удовольствие получают сами танцоры, которым удается держать такой сложный ритм, а новичку его воспроизвести очень трудно.

Теперь перейдем к квазикристаллам, которые стали событием в химии. Оказалось, что они существуют в природе, но обнаружить это было непросто. Долгое время полагали, что их можно создать только искусственным путем, но эту точку зрения решил изменить американский астрофизик Пол Стейнхардт (рис. 5.77). Это тот самый ученый, который рецензировал статью Шехтмана и через месяц опубликовал свою работу на ту же тему, он же предложил термин «квазикристаллы», ставший общепринятым в научной литературе. До этого момента основным направлением исследований Стейнхардта было создание теории, объясняющей формирование Вселенной до Большого взрыва, однако квазикристаллы оказались столь «завораживающей» темой, что он на время изменил круг своих интересов, причем очень резко – астрофизик-теоретик стал специалистом по минералогии и кристаллографии, кстати с детективным уклоном.

Знакомясь со свойствами синтезированных квазикристаллов, он обратил внимание на высокую стабильность их структуры. И сделал вывод, что подобные структуры должны встречаться в природных минералах. Осталось найти такие минералы, для чего был начат масштабный поиск в существующих базах данных различных минералогических музеев в расчете на то, что составители коллекций могли не обратить внимания на необычную структуру. К поиску подключилась группа энтузиастов – минералографов и кристаллографов. К 2001 г. рассмотрели несколько тысяч образцов, но обнадеживающих результатов не было. Стейнхардт с коллегами обратился к мировому сообществу минералографов с просьбой подключиться к поискам. В течение шести лет не поступило ни одного предложения о сотрудничестве, и лишь в 2007 г. откликнулся итальянский ученый Л. Бинди, возглавлявший кафедру минералогии во Флорентийском университете, он буквально дал новый заряд энергии в поисках, которые уже начали казаться безуспешными. Бинди предпринял энергичные поиски в местных музеях и, не найдя в течение года ничего, предположил, что в музейных коллекциях есть образцы, не упомянутые в каталоге. Среди них ему удалось обнаружить образец минерала хатыркит (Cu, Zn)Al 2, который, судя по описанию, был найден на берегу реки Хатырки, находящейся на Корякском нагорье Чукотки. Именно в нем обнаружили очень маленькие частицы (приблизительно до 200 мкм в диаметре), имеющие квазикристаллическую структуру. Чтобы это обнаружить, были изготовлены сверхтонкие (примерно, 0,1 мкм) срезы материала, которые анализировали с помощью трансмиссионного электронного микроскопа высокого разрешения. В этом приборе через тонкий образец пропускается поток электронов, которые на выходе фокусируются магнитными линзами и затем регистрируются на флуоресцентном экране. Бинди таким образом проанализировал сотни «подозреваемых» образцов, и лишь в хатырките было обнаружено желаемое. На рисунке 5.78 (слева) показан снимок минерала хатыркита, в центре – квазикристаллическая структура, полученная с помощью трансмиссионного электронного микроскопа высокого разрешения, справа – мозаика Пенроуза, похожая на полученный снимок.

Частички найденного в хатырките квазикристаллического соединения имели состав Al 63Cu 25Fe 12. Как назло, оно в точности соответствовало квазикристаллу, синтезированному ранее японским химиком А.П. Цаи. Это обстоятельство сразу отодвинуло на неопределенное время радость победы, поскольку эксперты предположили, что найденные в минерале долгожданные частицы представляют собой продукты случайного синтеза, оказавшиеся в отходах металлургических производств, но не результат природных процессов.

Таким образом, предстояло выяснить происхождение исследованного образца хатыркита: действительно ли он найден на Корякском нагорье Чукотки и не подобрали ли его в отходах производства какого-либо алюминиевого комбината. Начиная с этого момента, история приобрела детективный характер. Из архивных записей в Музее естественной истории Флоренции следовало, что образец был приобретен в 1990 г. у частного коллекционера в Амстердаме вместе с 10 000 других образцов. Многомесячные поиски этого амстердамского коллекционера к успеху не привели, но итальянец Бинди – «мотор» всей группы – однажды обедал со своей сестрой и ее приятелем, который оказался родом из Амстердама. Услышав фамилию разыскиваемого коллекционера, приятель сказал, что Бинди не повезло, поскольку это очень распространенная фамилия в Голландии. «Но у меня есть соседка с такой фамилией, – сказал приятель, – я могу ее спросить, может, она кого-то из своих однофамильцев знает». Через несколько дней приятель сообщил, что его соседка – вдова того самого коллекционера. Бинди отправился в Амстердам, и после долгих уговоров вдова согласилась показать некий секретный дневник своего бывшего мужа. Там было написано, что образец «хатыркит» был приобретен во время поездки в Румынию в 1980-е гг. у местного жителя по имени Тим. Сведения эти находились в секретном дневнике, потому что торговля минералами приравнивается к контрабанде. Разыскивать некоего Тима в Румынии было бесполезно, но в конечном итоге вдова согласилась показать другой, совсем уже сверхтайный дневник, в котором было указано, что румын Тим работает в ленинградской лаборатории. Это оказалась та самая лаборатория, которая в 1985 г. опубликовала данные об обнаружении хатыркита.