To refuse a hearing to an opinion, because one is sure that it is false, is to assume that one's own certainty is the same thing as absolute certainty. All silencing of discussion is an assumption of infallibility.
- John Stuart Mill -

None shall be one's slave, none shall be one's master; everyone shall have the same rights, same priviledges, same justice.

- Antti Chydenius -

Any sufficiently sophisticated human thought is impossible to distinguish from artificial intelligence.

- The Ironmistress -

Saturday, October 8, 2011

Kemiaa herkkäuskoisille, osa XVII

Kemian Nobel 2011 meni israelilaiselle Daniel Shekhtmanille (translitterointi vaihtelee). Israelilaistutkija sai palkontonsa kvasikiteiden löytämisestä. Perustelujen mukaan Shekhtman on uraauurtavasti havainnut, että kiteiden atomit saattavat olla toistumattomissa muodoissa. Aikaisemmin oli ajateltu, että muotojen pitäisi toistua samanlaisina.

Löytö oli suunnilleen samaa kuin jos fyysikot olisivat kyenneet keksimään poimuajon. Kiinteän aineen kemian perusteet menivät, jonseivät uusiksi, niin ainakin pahasti sekaisin.

Kvasikiteet ovat kiinteitä aineita, jotka ovat rakenteeltaan järjestyneitä, mutta jaksottomia. Niillä ei siis ole säännöllisesti toistuvaa kidehilaa kuten vaikka metalleilla, hiilellä tai suoloilla, mutta ne eivät myöskään ole säännöttömiä, amorfisia aineita kuten vaikkapa opaali tai lasi. Kvasikiteisillä aineilla on selkeä sulamispiste, mutta niiden muut ominaisuudet muistuttavat amorfisia aineita - ne ovat läpinäkyviä ja teflonin tapaan liukkaita. Ne myös johtavat lämpöä huonosti ja niillä on korkea sulamispiste - on ajateltu, että ne sopisivat hyvin kuumuutta ja rasitusta sietäviin rakenteisiin.

Kvasikiteet muodostuvat monen metallin tai polymeerin yhdisteistä. Kvasikiteissä atomit muodostavat ikäänkuin suuren hilan, joka täyttää tilan mutta jolla ei ole siirtosymmetriaa - samaan tapaan kuin kertamuoveissa. Yksi tapa kuvata kvasikidettä on, että osa yksikkökopin ("alkeiskiteen") atomeista on samaan aikaan kahden muun yksikkökopin jäseniä. Kvasikiteitä voidaan pitää kiteisen ja amorfisen aineen välimuotoina. Kiteitä ne muistuttavat siinä, että niissäkin saadaan röntgensäteillä aikaan Braggin diffraktio, mutta toisin kuin kiteissä, niissä ei ole samanlaisena toistuvaa yksikkökoppia. Koko kappale on ikäänkuin yksi valtava kide (vrt. kertamuovit, jossa koko kappale on yksi iso molekyyli.) Tavallinen kiteen yksikkökoppi voi olla symmetrinen kahden, kolmen, neljän tai kuuden akselin suhteen. Kvasikiteestä sensijaan voi löytää viisi akselia, mikä on oikeiden kiteiden kohdalla mahdotonta. Niillä on mielenkiintoisia lujuusopillisia ominaisuuksia, ja ne muistuttavat myös nestekiteitä jossain määrin. Mikä mielenkiintoisinta, kvasikidemateriaalit ovat lähes täydellisiä eristeitä. Niitä voidaan siis käyttää elektroniikan materiaaleina.

Kvasikiteen kaksiulotteisena vastineena voidaan pitää Penrosen laattoja tai azulejoja. Penrosen laatat ovat koristelaattoja, joilla voidaan muodostaa säännöttömiä mutta jatkuvia ornamentteja - tällaisen kuvion saattaa nähdä vaikkapa Vantaan tiedekeskus Heurekan pihassa. Penrose-laatoitusten esteettinen arvo on ollut kauan tunnustettu, ja ne herättävätkin yhä suurta mielen­kiintoa, joka kohdistuu suurelta osin pikemmkin niiden muodostamaan näkö­vaikutelmaan kuin niiden matemaattisiin ominaisuuksiin. Ne esiintyvät jo keski­aikaisessa islamilaisessa taiteessa, ja taide­historioitsija Martin Kemp on todennut, että myös Albrecht Dürer on laatinut saman­kaltaisia sommitelmia Penrosen laatoista. Mutta makromaailman ihmeellinen kauneus on olemassa jo mikromaailmassakin.

Mistä päästäänkin mukavasti fraktaaleihin. Kvasikiteet muistuttavat suuresti mesomaailman fraktaaleja. Luonto toimii analogialla - mikromaailmassa kvasikiteet, mesomaailmassa fraktaalit ja makromaailmassa Penrosen laatat.

Shekhtmanin vuonna 1982 tekemään löytöön suhtauduttiin aluksi hyvin ristiriitaisesti: häntä esimerkiksi pyydettiin eroamaan tutkimusryhmästään. Hänen löytönsä oli fysikaaliselle kemialle jotain samaa kuin se, kun Pytagoras löysi kitharastaan tritonuksen ja keksi neliöjuuren ja irrationaaliluvut. Kvasikiteitä ei kertakaikkiaan olisi pitänyt olla olemassakaan. Mutta oli kuin olikin! Mahdottomasta tuli mahdollista.

Nyt 70-vuotias Shekhtman työskentelee Israelin teknologia-instituutissa. Hän on vihdoinkin saanut sen tunnustuksen, joka hänelle on kuulunut.

3 comments:

Tomi said...

Danielilla kävi tuuria. Hän löysi ilmiön, jota ei edes etsinyt.
Onneksi hän oli tarpeeksi jääräpäinen rummuttaakseen tulostaan vastustuksesta huolimatta.

Juha Järvinen said...

Eikös joku vanha lausahdus kerro että sana epäjärjestys on vain sana joka kuvaa järjestystä jota emme ymmärrä.

Patrik L said...

"What is full of redundancy or formula is predictably boring. What is free of all structure or discipline is randomly boring. In between lies art."
(Wendy Carlos)