Исследователи из Мичиганского университета совершили прорыв в материаловедении, разработав первую квантово-механическую модель, объясняющую стабильность квазикристаллов — загадочных структур, занимающих промежуточное положение между кристаллами и аморфными телами. Это открытие, опубликованное в Nature Physics, разрешает многолетнюю научную загадку, оставшуюся после Нобелевской премии Даниэля Шехтмана 2011 года за открытие квазикристаллов.
Ключевые аспекты исследования включают: инновационный метод моделирования "наносовков" — случайных фрагментов квазикристалла; использование модифицированного алгоритма DFT (теории функционала плотности); подтверждение энтальпийной стабилизации для сплавов Sc-Zn и Yb-Cd; 100-кратное ускорение вычислений благодаря оптимизации параллельных процессов.
Особый интерес представляет разработанная методика расчета: вместо попытки моделирования бесконечной структуры ученые анализировали множество небольших фрагментов (100-1000 атомов), что позволило обойти ограничения традиционных подходов. "Мы доказали, что квазикристаллы — это не аномалия, а закономерное состояние материи для определенных комбинаций элементов", — поясняет Вэньхао Сан, руководитель исследования.
Исторический контекст делает открытие еще значимее. Когда Шехтман в 1984 году обнаружил икосаэдрическую симметрию в сплаве алюминия и марганца, научное сообщество отвергло его результаты как невозможные — считалось, что кристаллы могут обладать только 2-, 3-, 4- и 6-кратной симметрией. Последующие находки квазикристаллов в метеоритах подтвердили их природное происхождение, но механизм стабилизации оставался загадкой.
Технологический прорыв команды из Мичигана основан на трех ключевых инновациях: адаптация квантовых расчетов для непериодических структур; использование суперкомпьютеров с GPU-ускорением; новый алгоритм минимизации энергетических состояний. Это позволило впервые количественно оценить энергетическую выгодность квазикристаллического состояния по сравнению с обычными кристаллическими фазами.
Практическое значение исследования огромно: понимание стабильности квазикристаллов открывает путь к созданию новых материалов с уникальными свойствами; методология моделирования применима к другим непериодическим структурам; ускоренные алгоритмы революционизируют вычислительное материаловедение. В перспективе это может привести к разработке материалов с необычными механическими, термическими и электрическими характеристиками.
"Наша работа не только объясняет существование квазикристаллов, но и предоставляет инструменты для предсказания новых стабильных квазикристаллических фаз", — отмечает Ухён Бэк, ведущий автор исследования. Это открывает новые горизонты в дизайне материалов, потенциально меняя подходы к созданию всего — от жаропрочных сплавов до квантовых компьютеров.
А затем «Добавить на главный экран».