To odkrycie wstrząsnęło nauką - uhonorowano je Noblem

Shechtman otrzyma nagrodę w wysokości 10 mln koron szwedzkich, czyli ok. 1,5 mln dolarów. 70-letni naukowiec pracuje w Izraelskim Instytucie Technologicznym (Technion - Israel Institute of Technology) w Hajfie.

Laureat jako pierwszy zaobserwował kryształy, w których występują regularne koncentryczne kręgi, składające się z dziesięciu elementów. To zjawisko przeczyło przyjętym prawom krystalografii, mówiącym, że kryształy mogą powstawać z takich układów, ale składających się maksymalnie z sześciu elementów. Na przykład w krysztale składającym się ze struktur czteroelementowych każdy atom jest otoczony zawsze czterema innymi atomami, nawet jeśli ogląda się całość pod różnymi kątami. Niemożliwe jest uzyskanie tak regularnej struktury, złożonej z układów zawierających siedem lub więcej elementów.

Noblista zaobserwował pod mikroskopem elektronowym nieznaną wcześniej strukturę skrystalizowanego metalu, będącego stopem aluminium i manganu. Stało się to w kwietniu 1982 r.

- Niemal wszystkie ciała stałe, od lodu do złota, składają się z uporządkowanych kryształów. Niemniej obraz dyfrakcji z dziesięcioma jasnymi kropkami, ułożonymi w okręgi był czymś, czego (Shechtman) nigdy wcześniej nie widział, mimo swojego rozległego doświadczenia w wykorzystaniu mikroskopów elektronowych. Ponadto tego typu kryształów nie uwzględniały międzynarodowe tablice krystalograficzne (International Tables for Crystallography). (...) W owym czasie środowisko naukowe uznawało po prostu, że wzór z dziesięcioma kropkami położonymi na okręgach nie może istnieć - napisano w komunikacie prasowym Komitetu Noblowskiego.

Odkrycie Shechtmana początkowo nie znalazło akceptacji w środowisku krystalografów. - Niektórzy koledzy posunęli się nawet do wyśmiewania go - przypomniał Komitet Noblowski. Shechtmanowi zarzucano m.in. błąd metodyczny, twierdząc, że zaobserwowana przez niego struktura nie stanowi jednolitego ciała stałego, ale jest obrazem powstałym z nałożenia się na siebie dwóch różnych kryształów.

Później jednak inni naukowcy powtórzyli eksperymenty Shechtmana i okazało się, że podobne struktury rzeczywiście istnieją. Przez długi czas nie udawało się jednak wyjaśnić, jak to możliwe. Pomogła matematyka i arabska sztuka.

Jedno z wyjaśnień regularności struktury wzięło się z badań matematyków nad arabskimi mozaikami. Wzory na dziełach sztuki, wykonanych tą techniką, nie powtarzają się, chociaż są wykonane z niewielkiej liczby różnych elementów. Arabscy artyści potrafili wykonywać takie mozaiki już w XIII wieku. Różnorodne wzory, wykonane z użyciem zaledwie pięciu różnych kafelków zdobią ściany pałacu Alhambra w Hiszpanii oraz portale i skarbce w świątyni Darb-i Imam w Iranie. Współcześni naukowcy próbowali znaleźć matematyczne reguły, które na to pozwalają.

Po wielu latach żmudnych obliczeń największy sukces odniósł w połowie lat 70. XX w. matematyk Roger Penrose. Udało mu się wykazać, że rozległą mozaikę, w której wzory nie będą się powtarzać, można wykonać, używając zaledwie dwóch kafelków - wąskiego i szerokiego rombu. To odkrycie wykorzystano w 1982 r. do wyjaśnienia, jak mogą w rzeczywistości wyglądać tajemnicze kryształy Shechtmana.

Alan Mackay wykonał w trakcie eksperymentu model, w którym na przecięciach elementów mozaiki Penrose'a umieścił otwory, mające oznaczać atomy. Po podświetleniu, model zaczął przypominać obraz dyfrakcji z dziesięcioma elementami, podobny do uzyskanego przez Shechtmana.

Dodatkowych wyjaśnień dostarczyła tzw. złota proporcja. Ta zasada matematyczna stosowana w wielu dziedzinach mówi, że najlepszą proporcję uzyskuje się dzieląc odcinek na dwie części w taki sposób, aby stosunek długości dłuższej z nich do krótszej był taki sam, jak całego odcinka do części dłuższej. Przejawy złotej proporcji widać też w arytmetyce, np. w ciągu Fibonacciego, w którym każdy wyraz jest sumą dwóch poprzedzających go wyrazów: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, itd. Kiedy jeden z wyrazów ciągu podzielimy przez poprzedzający go wyraz uzyskamy wynik zbliżony do złotej proporcji.

- Zarówno ciąg Fibonacciego, jak i złota proporcja są dla naukowców ważne, kiedy próbują użyć wzoru dyfrakcji do opisania jak w rzeczywistości wyglądają kwazikryształy na poziomie atomowym. Ciąg Fibonacciego pokazuje także, w jaki sposób odkrycie tegorocznego noblisty zmieniło sposób patrzenia chemików na regularność kryształów - wyjaśniono w informacji prasowej Komitetu Noblowskiego.

Jak tłumaczyli autorzy informacji, wcześniej chemicy uznawali, że regularność ta polega na cyklicznym powtarzaniu się identycznych wzorów. Jednak ciąg Fibonacciego również jest regularny, chociaż wartości wyrazów nigdy się nie powtarzają, bo układają się według matematycznej reguły. Tak samo jest w kwazikryształach. Chemicy mogą znaleźć prawidłowość w ułożeniu zawartych w nich atomów, chociaż poszczególne ich układy się nie powtarzają.

Kwazikryształy mają już teraz zastosowanie praktyczne. Jak wynika z opracowań opublikowanych przez Komitet, materiały z nich zbudowane są wyjątkowo odporne na korozję i przywieranie.

Kwazikryształy są obecne w najbardziej wytrzymałej stali, uzyskanej przez Szwedów. Tworzą w niej twardą warstwę, będącą czymś w rodzaju ochronnego pancerza. Obecnie jest ona stosowana w produkcji m.in. żyletek do golenia lub cienkich igieł stosowanych do operacji okulistycznych - napisano na oficjalnej stronie internetowej Komitetu Noblowskiego.

Jak podano, kwazikryształy też są świetnymi materiałami termoelektrycznymi, zamieniającymi ciepło na energię elektryczną. Takie materiały mogłyby pomóc odzyskiwać i wykorzystywać energię cieplną - wytwarzaną np. przez samochody - która normalnie jest bezpowrotnie tracona.

Naukowcy - czytamy na stronie - prowadzą obecnie eksperymenty nad wykorzystaniem tych struktur do powlekania naczyń kuchennych, przy produkcji elementów energooszczędnych lamp diodowych (LED) oraz warstw izolacyjnych w silnikach.

Komitet Noblowski podkreślił, że przypadek Shechtmana, który początkowo spotkał się z niezrozumieniem środowiska naukowego, a następnie jego odkrycie zostało uznane i znalazło zastosowanie, jest ważną lekcją dla wszystkich uczonych.

- Jednym z najzacieklejszych krytyków Daniela Shechtmana i jego kwazikryształów był Linus Pauling, dwukrotny laureat Nagrody Nobla. To pokazuje wyraźnie, że nawet najwięksi naukowcy mogą zostać zablokowani przez konwencjonalne myślenie. Otwarty umysł i śmiałość do kwestionowania uznawanej wiedzy może w rzeczywistości być dla naukowca najważniejszą cechą charakteru - napisano w komunikacie Komitetu.