Kurallara Meydan Okuyan Madde: Kuazikristaller
On yıllardır, kristal ve cam arasındaki sınırı bulanıklaştıran garip katı maddeler olan kuasikristaller bilim insanlarını şaşırtmıştır. Sıradan kristallerin aksine, atomik yapıları asla tekrar etmez, ancak yine de son derece düzenli kalırlar.
Şimdi, bu malzemelerin ilk kuantum mekanik simülasyonlarını kullanan araştırmacılar, bunların neden var olduklarını ortaya çıkardılar: bunlar temelde kararlıdır, hızlı soğumanın geçici bir sonucu değildir. Bu çığır açan keşif, 40 yıllık bilimsel bir gizemi çözüyor ve sıra dışı, kuralları yıkan özelliklere sahip mühendislik malzemelerinin kapısını açıyor.
Kvasikristaller: Kristal ve Cam Arasındaki İlginç Durum
Michigan Üniversitesi’nden yapılan araştırmaya göre, kristal ve cam arasında yer alan garip ve nadir bir madde türü, belirli atom kombinasyonları için aslında en kararlı yapı olabilir.
Bu sonuç, bir zamanlar imkansız olduğu düşünülen bir tür katı madde olan kuasikristaller üzerinde gerçekleştirilen ilk kuantum mekanik simülasyonlardan elde edilmiştir. Kristaller gibi kuasikristallerde de atomlar bir kafes şeklinde düzenlenmiştir, ancak bu düzen geleneksel kristallerdeki gibi asla tekrarlanmaz. Yeni simülasyon yaklaşımı, kuasikristallerin, erimiş maddelerin çok hızlı soğutulmasıyla oluşan cam gibi düzensiz maddelerle benzerlikler taşımasına rağmen, kristaller gibi doğası gereği kararlı olduğunu göstermektedir.
Skandiyum-çinko kuasikristalinin tekil taneleri 12 adet beşgen yüzeye sahiptir. Kaynak: Yamada et al. (2016). IUCrJ
Kuasikristaller Neden Var?
“İstenilen özelliklere sahip malzemeler tasarlamak istiyorsak, atomları belirli yapılara nasıl yerleştireceğimizi bilmemiz gerekiyor,” diyor Dow Erken Kariyer Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Yardımcı Doçenti ve bugün Nature Physics’te yayınlanan makalenin sorumlu yazarı Wenhao Sun. “Kuasikristaller, belirli malzemelerin nasıl ve neden oluşabileceğini yeniden düşünmemize neden oldu. Çalışmamıza kadar bilim insanları için neden var oldukları belirsizdi.”
Kuasikristaller bilim dünyasında ilk kez 1984 yılında, İsrailli araştırmacı Daniel Shechtman’ın alüminyum ve manganez alaşımlarıyla çalışırken onları gözlemlemesiyle ortaya çıktı. Shechtman, atomların bazılarının, yüzeylerinden birbirine bağlı 20 yüzlü bir zar kümesine benzeyen ikosahedral bir yapı oluşturduğunu keşfetti. Bu yapı, malzemeye beş katlı simetri kazandırdı; yani beş farklı açıdan aynı görünüyordu; bu, bir zamanlar katı maddede imkansız olduğu düşünülen bir şeydi.
Atomları bir dizi halinde tekrarlanmayan bir katının kararlılığını hesaplamak için araştırmacılar, daha büyük bir bloktan rastgele örneklenen kuasikristal kepçelerini simüle ettiler. Her nanoparçacık içindeki enerji, parçacığın belirli sınırları olduğundan kuantum mekaniği kullanılarak hesaplanabilir. Hesaplamaları çeşitli kepçe boyutlarında tekrarlamak, araştırmacıların enerji hesaplamalarını büyük kuasikristale genellemelerine olanak tanır. Kaynak: Woohyeon Baek, Sun Araştırma Grubu, Michigan Üniversitesi
Tartışmadan Nobel Ödülüne
O dönemde bilim insanları, kristallerin içindeki atomların yalnızca her yönde tekrar eden diziler halinde düzenlenebileceğini düşünüyorlardı, ancak beş katlı simetri bu tür örüntüleri engelliyordu. Shechtman, başlangıçta imkansızı önerdiği için yoğun bir incelemeye maruz kaldı, ancak daha sonra diğer laboratuvarlar kendi kuazikristallerini üretti ve bunları milyar yıllık meteoritlerde buldu.
Shechtman, keşfiyle 2011 yılında Nobel Kimya Ödülü’nü kazandı, ancak bilim insanları kuazikristallerin nasıl oluştuğuna dair temel soruları hâlâ yanıtlayamıyordu. Engel, bir kristalin kararlılığını hesaplamak için kullanılan kuantum mekaniksel yöntem olan yoğunluk fonksiyoneli teorisinin, kuazikristallerde bulunmayan bir dizide sonsuza kadar tekrar eden örüntülere dayanmasıydı.
“Bir malzemeyi anlamanın ilk adımı, onu neyin kararlı kıldığını bilmektir, ancak kuasikristallerin nasıl kararlı hale geldiğini söylemek zordu,” diyor Michigan Üniversitesi’nde malzeme bilimi ve mühendisliği alanında doktora öğrencisi ve çalışmanın başyazarı olan Woohyeon Baek.
Herhangi bir malzemedeki atomlar genellikle kimyasal bağların mümkün olan en düşük enerjiye ulaşması için kristaller halinde düzenlenir. Bilim insanları bu tür yapılara entalpi-kararlı kristaller adını verir. Ancak diğer malzemeler yüksek entropiye sahip oldukları için oluşurlar, yani atomlarının düzenlenmesi veya titreşmesi için birçok farklı yol vardır.
Kuasikristaller: Tekrarsız Düzen
Cam, entropi ile stabilize edilmiş katılara bir örnektir. Erimiş silika hızla soğuduğunda ve atomları desensiz bir forma ani olarak dondurduğunda oluşur. Ancak soğuma hızları yavaşlarsa veya ısıtılmış silikaya bir baz eklenirse, atomlar kuvars kristalleri oluşturabilir; bu, oda sıcaklığında tercih edilen en düşük enerji halidir. Kuasikristaller, cam ve kristal arasında kafa karıştırıcı bir ara maddedir. Kristaller gibi yerel olarak düzenli atomik düzenlenmelere sahiptirler, ancak cam gibi uzun menzilli, tekrarlayan desenler oluşturmazlar.
Kasikristallerin entalpi mi yoksa entropi ile stabilize mi olduğunu belirlemek için araştırmacının yöntemi, daha büyük simüle edilmiş bir kuasikristal bloğundan daha küçük nanopartiküller çıkarır. Araştırmacılar daha sonra her nanopartiküldeki toplam enerjiyi hesaplarlar; bu da parçacığın tanımlanmış sınırları olduğu için sonsuz bir dizi gerektirmez.
Kuasikristallerin Gizli Enerjilerini Açığa Çıkarmak
Bir nanopartiküldeki enerji, hacmi ve yüzey alanıyla ilişkili olduğundan, hesaplamaların artan boyutlardaki nanopartiküller için tekrarlanması, araştırmacıların daha büyük bir kuasikristal bloğunun içindeki toplam enerjiyi tahmin etmelerine olanak tanır. Bu yöntemle araştırmacılar, iyi incelenmiş iki kuasikristalin entalpi-stabilize olduğunu keşfettiler. Biri skandiyum ve çinko, diğeri ise iterbiyum ve kadmiyum alaşımı.
Kuasikristal enerjisinin en doğru tahminleri mümkün olan en büyük parçacıkları gerektirir, ancak nanoparçacıkları standart algoritmalarla ölçeklendirmek zordur. Sadece yüzlerce atoma sahip nanoparçacıklar için atom sayısını iki katına çıkarmak, hesaplama süresini sekiz kat artırır. Ancak araştırmacılar, hesaplama darboğazı için de bir çözüm buldular.
Malzeme Araştırmalarının Geleceğini Hızlandırmak
Çalışmanın ortak yazarı ve Michigan Üniversitesi’nde makine mühendisliği ve malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü olan Vikram Gavini, “Geleneksel algoritmalarda, her bilgisayar işlemcisinin birbiriyle iletişim kurması gerekir, ancak bizim algoritmamız 100 kata kadar daha hızlı çünkü yalnızca komşu işlemciler iletişim kuruyor ve süper bilgisayarlarda GPU hızlandırmayı etkili bir şekilde kullanıyoruz,” dedi.
“Artık cam ve amorf malzemeleri, farklı kristaller arasındaki arayüzleri ve kuantum hesaplama bitlerini mümkün kılabilecek kristal kusurlarını simüle edebiliyoruz.”
Kaynak: https://scitechdaily.com