Το Νόμπελ Χημείας 2011 στην ανακάλυψη των ημικρυστάλλων

Κρύσταλλοι πενταπλής συμμετρίας: Η δομή των ημικρυστάλλων είναι όμοια με τα αραβικά μωσαϊκά της Αλάμπρα
 Αμφισβήτησε την ήδη υπάρχουσα γνώση μας για τους κρυστάλλους....

Η Σουηδική Ακαδημία Επιστημών ανακοίνωσε ότι το εφετινό βραβείο Νομπέλ Χημείας απονέμεται στον καθηγητή επιστήμης υλικών του ισραηλιτικού πολυτεχνείου Technion, Dan Shechtman, για την εκ μέρους του ανακάλυψη ενός νέου τύπου κρυστάλλων, των λεγόμενων ημικρυστάλλων (quasicrystals).

Συνέβη από έναν… μη χημικό… όταν δεν έπρεπε: Τον Απρίλιο του 1982, ο μηχανολόγος και μεταλλογράφος Dan Shechtman βρισκόταν σε εκπαιδευτική άδεια από το πανεπιστήμιο John Hopkins των ΗΠΑ (NBS). Το πρωί της 8ης Απριλίου κοίταξε στο ηλεκτρονικό του μικροσκόπιο έναν κρύσταλλο από ταχέως ψυχθέν κράμα αλουμινίου και μαγγανίου και… καθάρισε τα γυαλιά του. Ξανακοίταξε και σιγουρεύτηκε ότι αυτό που έβλεπε ήταν αντίθετο στο κλασικό «θεώρημα περιορισμού» της κρυσταλλογραφίας. Δηλαδή, ενώ κατά το θεώρημα αυτό οι κρύσταλλοι μπορούν να εμφανίζουν περιοδική συμμετρία κατά τη διάταξη των ατόμων τους (διπλή, τριπλή, τετραπλή ή εξαπλή συμμετρία εκ περιστροφής), ο κρύσταλλος που έβλεπε εμφάνιζε πενταπλή συμμετρία (απεριοδική). Ταραγμένος, ο Dan Shechtman άρχισε να κάνει μετρήσεις και να κρατάει σημειώσεις. Διαπίστωσε ότι η αναλογία των αποστάσεων μεταξύ των ατόμων του περίεργου αυτού κρυστάλλου σχετιζόταν με τον περίφημο Χρυσό Λόγο του Πυθαγόρα.

Αυτό που επακολούθησε, αρχικά, ήταν αυτό που συχνότατα συμβαίνει σε όσους τολμούν να αμφισβητήσουν την καθεστώσα γνώση: Όταν ο Σέχτμαν έγραψε εργασία με τα ευρήματά του, του ζητήθηκε να παραιτηθεί από το εργαστήριο όπου εργαζόταν. «Γνώριζα ότι το σχήμα της περίθλασης δεν οφειλόταν σε διδύμους (που προκύπτουν από μια συνήθη κρυσταλλική ατέλεια)», δήλωσε σε κατοπινή συνέντευξή του, «αλλά δεν είχα καμία εξήγηση για το τι πραγματικά συνέβαινε». Μη μπορώντας να θεμελιώσει θεωρητικά τα πειραματικά του δεδομένα, πιθανότατα θα είχε πέσει στην αφάνεια αν δεν τύχαινε να δείξει την εργασία του στον John Cahn, εξέχοντα ερευνητή στην επιστήμη των υλικών. Ακολουθώντας τις συμβουλές του Cahn και του Denis Gratias – ειδικού στη μαθηματική κρυσταλλογραφία στο Εθνικό Κέντρο Επιστημονικών Ερευνών (CNRS) της Γαλλίας – ο Σέχτμαν και ο συνάδελφός του στο Technion, Άιλαν Μπλεχ (Ilan Blech) υπέβαλαν από κοινού στο περιοδικό Physical Review Letters, τον Οκτώβριο του 1984, μια αναθεωρημένη εκδοχή της εργασίας. Δημοσιεύθηκε τον Νοέμβριο του 1984, περισσότερα από δύο χρόνια μετά το αρχικό πείραμα του Σέχτμαν.
“Δεν υπάρχουν ημι-κρύσταλλοι, υπάρχουν μόνο ημι-επιστήμονες”, τον κορόιδευαν κάποτε κορυφαίοι συνάδελφοί του. Φέτος, όμως ο Ισραηλινός επιστήμονας παίρνει την εκδίκησή του κερδίζοντας το Νόμπελ Χημείας. Οι ημικρύσταλλοί του, που φαινόταν κάποτε να παραβιάζουν τους νόμους φύσης, βρίσκουν σήμερα πληθώρα εφαρμογών.
Η ανακάλυψη του Daniel Shechtman το 1982 άλλαξε θεμελιωδώς τον τρόπο που βλέπουμε τη στερεά ύλη, επισημαίνει στην απόφασή της η Σουηδική Ακαδημία Επιστημών. Μέχρι τότε, οι επιστήμονες πίστευαν ότι τα άτομα σε όλους τους κρυστάλλους διατάσσονται σε επαναλαμβανόμενα μοτίβα.
Ο Shechtman, όμως, είδε στο ηλεκτρονικό του μικροσκόπιο κρυστάλλους των οποίων η δομή θύμιζε αραβουργήματα, με μοτίβα που είναι μεν συμμετρικά αλλά δεν επαναλαμβάνονται ποτέ.
Στη φύση, αυτοί οι ημικρύσταλλοι παρατηρήθηκαν μόλις το 2009 σε ορυκτά από ένα ποτάμι της Ρωσίας. Όπως διαπιστώθηκε αργότερα, υπάρχουν και σε ένα κράμα ατσαλιού που φημίζεται για την αντοχή του και χρησιμοποιείται μεταξύ άλλων σε νυστέρια και βελόνες της οφθαλμοχειρουργικής.
Οι επιστήμονες πειραματίζονται τώρα με ημικρυσταλλικές αντικολλητικές επιστρώσεις για τηγάνια, ημικρυσταλλικά μονωτικά και φωτοδιόδους, τα γνωστά LED.
«Αισθάνομαι υπέροχα» σχολίασε ο Shechtman λίγο μετά την ανακοίνωση του νικητή στη Στοκχόλμη.
Ο ερευνητής γεννήθηκε στο Τελ Αβίβ. Είναι σήμερα 70 ετών και εργάζεται ως καθηγητής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Χάιφα.
Απεριοδικά μωσαϊκά: Η χρυσή τομή στη φύση
Η μεγάλη στιγμή ήρθε για τον Shechtman τον Απρίλιο του 1982, όταν εργαζόταν στην Ουάσινγκτον. Ένα πρωί είδε στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο κρυστάλλους με πενταγωνική συμμετρία.
Όλοι οι κρυσταλλογράφοι πίστευαν τότε ότι αυτό ήταν αδύνατο, όπως το να προσπαθείς να φτιάξεις μια μπάλα ποδοσφαίρου που αποτελείται μόνο από εξάγωνα, αντί από έναν συνδυασμό εξαγώνων και πενταγώνων.
Πίστευαν επίσης ότι όλοι οι κρύσταλλοι έχουν περιστροφική συμμετρία -δηλαδή η ατομική δομή τους φαίνεται ίδια από όποια πλευρά κι αν την κοιτάξεις.
«Είπα σε όλους όσους ήταν έτοιμοι να ακούσουν κάτι τέτοιο ότι είχα ένα υλικό με πενταγωνική συμμετρία. Όλοι γέλασαν» θυμάται ο ίδιος.
Όταν τελικά δημοσίευσε την ανακάλυψη το 1984, έγινε αντικείμενο χλευασμού. Ο Λίνους Πόλινγκ, βραβευμένος δύο φορές με το Νόμπελ, τον χλεύαζε χαρακτηρίζοντάς τον «ημι-επιστήμονα».
Η δικαίωση ήρθε τελικά το 1987, όταν Γάλλοι ερευνητές κατάφεραν να δημιουργήσουν ημικρυστάλλους αρκετά μεγάλους ώστε να μελετηθούν με κρυσταλλογραφία ακτίνων-Χ.
Σήμερα, τα μοτίβα των ημικρυστάλλων ονομάζονται απεριοδικά μωσαϊκά. Μοιάζουν πολύ με τα αραβικά μωσαϊκά, όπως αυτά στην Αλάμπρα, τα οποία είναι μεν κανονικά -υπακούουν σε μαθηματικούς κανόνες- δεν επαναλαμβάνονται όμως ποτέ.
Όταν οι επιστήμονες περιγράφουν αυτά τα απεριοδικά μοτίβα, χρησιμοποιούν μια έννοια γνωστή από τα μαθηματικά και τις τέχνες: τη χρυσή τομή, δηλαδή μια «χρυσή» αναλογία αποστάσεων
Γνωστή για την αρμονία και την ομορφιά της, η χρυσή τομή εμφανίζεται αν κανείς συγκρίνει τις αποστάσεις ανάμεσα στα άτομα των ημικρυστάλλων.

Σχόλια