Un mister neelucidat al lumii minerale      Cvasi-cristalele

    
     Structura materiei nu inceteaza sa surprinda oamenii de stiinta. In ceea ce priveste organizarea interna a cristalelor, in anul 1984 a fost anuntata descoperirea unui aliaj natural pe baza de aluminiu si magneziu, care nu corespundea tipurilor de simetrie cunoscute de peste o suta de ani in cristalografie.
    
     Structura materiei nu inceteaza sa surprinda oamenii de stiinta. In ceea ce priveste organizarea interna a cristalelor, in anul 1984 a fost anuntata descoperirea unui aliaj natural pe baza de aluminiu si magneziu, care nu corespundea tipurilor de simetrie cunoscute de peste o suta de ani in cristalografie. Cristalele „non-conformiste” aveau o nemaiintâlnita simetrie de ordin 5! De aceea, ele au fost numite „cvasi-cristale”, iar decodificarea lor naste in continuare controverse.In ce consta enigma cvasi-cristalelor?    
     Cristalele sunt forme ale starii solide a materiei in care unitatile structurale constitutive (atomi etc) sunt dispuse intr-o riguroasa ordine geometrica. Cele clasice se conformeaza ordinelor de simetrie 2, 3, 4, 6… si nici un tip care respecta legile cristalografiei nu are o simetrie de ordin 5. Se stia, pâna acum, ca retelele de atomi sunt atât de bine organizate, incât retelele lor in plan se pot repeta si in spatiu, dupa trei dimensiuni. Cele mai raspândite exemple sunt diamantul (retea cubica) si grafitul (retea hexagonala) – ambele fiind pe baza de atomi de carbon. Ilustrarea geometriei perfecte a cristalelor clasice se poate face recurgând la imaginea placilor de faianta depuse pe un perete (deci in plan): daca placile au forma patrata, triunghiulara (triunghi echilateral) sau hexagonala, ele umplu perfect peretele, fara a lasa zone libere. Acelasi lucru se intâmpla si in spatiu, in trei dimesiuni, cu cubul, piramida triunghiulara si respectiv cu prisma hexagonala. Cvasi-cristalele, având o simetrie de ordin 5 – dovedita prin diagrama de difractie, acea carte de vizita a cristalelor realizata cu ajutorul razelor X, care sunt deviate intr-un mod specific de atomii din retele -, nu pot umple perfect spatiul. Acest fapt se constata la poliedrele dodecaedru (care are 12 fatete) si icosaedru (20 de fatete), care nu exista in natura.    
     Faptul ca enigmaticele cvasi-cristale totusi exista in regnul mineral inseamna ca ele au atomii dispusi in mod regulat, dar neperiodic. Ele reprezinta o noua forma de organizare a materiei, intermediara intre materialele amorfe (structuri dezordonate, haotice) si cristale (structuri perfect ordonate). Este ceea ce se numeste cvasi-periodicitate. Pe o suprafata plana, exemplul reprezentativ il constituie pavajul realizat de matematicianul Roger Penrose, in care exista combinatii ce umplu perfect desenul, având la baza rombul si formând stele si pentagoane care nu se repeta dupa nici o regula fixa. Numai ca, „jucându-se de-a geometria” – in 1972, cu 12 ani inainte de marea descoperire -, Penrose a reusit sa umple o suprafata plana. Ar putea fi forma romboedrica secretul existentei cvasi-cristalelor, atunci când ele sunt proiectate intr-un spatiu teoretic cu 5 dimensiuni? Atunci cum de exista in realitate cvasi-cristale? Poate reprezenta „pavajul Penrose” structura plana a celei spatiale a cvasi-cristalelor?    
         
     „Razboiul” ipotezelor    
         
     Teoreticienii nu sunt unanimi in a sustine modelul Penrose, pentru ca persista mari indoieli in ceea ce priveste corespondenta dintre modelele matematice si realitatea fizica. De asemenea, se stie ca diagramele de difractie nu sunt intotdeauna reprezentative. Si, mai presus de toate, cum sunt dispusi atomii in cvasi-cristale, astfel incât, prin legaturile regulate dar nerepetate dintre ei, sa poata constitui un solid de tip cristalin? Ceea ce contrazice modelul Penrose este chiar aceasta imposibilitate de a localiza masa atomica in totalitatea ei.    
     O teorie recenta incearca sa explice organizarea cvasi-cristalelor prin roiuri (aglomerari) de atomi de acelasi tip, care au zone comune, dispuse intr-o configuratie in care energia interna este minima – regula a stabilitatii cristalelor. Practic, adeptii acestei ipoteze resping geometrizarea cvasi-cristalelor, afirmând ca materia nu s-ar complica singura pentru a genera sisteme complexe având la baza rombul.    
     Dar mai exista o teorie fundamental geometrica ce sustine ca la baza alcatuirii acestor cristale nonconformiste ar sta decagonul (zece laturi). Acesta, desi in mod normal nu acopera perfect o suprafata plana (ca romburile lui Penrose), se suprapun pentru a echivala unui pavaj echivalent cu cel format din romburi. Insa in toate ipotezele, „scenariile” matematicienilor se lovesc de necesitatea ca, din punct de vedere fizic, sa existe o stabilitate energetica interna bine definita, fara de care un solid, fie el si cvasi-periodic, nu se poate constitui. Nici una din teoriile enuntate pâna acum nu se conformeaza acestui imperativ al lumii minerale.De la vase de bucatarie la… aerospatiale    
     In timp ce structura cvasi-cristalelor ramâne controversata, proprietatile lor fizice sunt cunoscute. Rau conducatoare de caldura si electricitate, dar extrem de dure, aceste „miracole” naturale au putut fi reproduse pentru a conferi insusiri mecanice superioare unor materiale compozite de inalta tehnologie, cum ar fi fibrele carbon-carbon. Astfel, daca primele aplicatii au fost modeste, limitându-se la …vase de bucatarie, acum cvasi-cristalele sunt folosite in industria aeronautica si aerospatiala. Discurile de frâna de la avionul Airbus sau unele componente ale rachetei „Ariane” au la baza tesaturi cvasi-periodice extrem de performante. S-a reusit fabricarea aliajelor cvasi-cristaline combinând aluminiul cu paladiul si reniul, sau cu cupru-paladiu. Acestea au o excelenta comportare fizica in medii agresive, rezistând excelent la coroziune, eroziune si oxidare, fiind in acelasi timp excelente izolatoare termice. Si din acest punct de vedere, cvasi-cristalele reprezinta o „mana cereasca” pentru tehnologiile de vârf din domeniul materialelor speciale. Pe de alta parte, aceste aplicatii sunt studiate din punct de vedere teoretic, pentru a fi descoperit secretul geometrico-fizic ce dainuie de 15 ani.