Naukowcy stworzyli najtrudniejszy labirynt na świecie. To może mieć zastosowanie praktyczne

W tym artykule:

1. Droga przez kwazikryształy
2. Najtrudniejszy labirynt na świecie
3. Czy to się da wykorzystać?

Sól i cukier to kryształy. Tego rodzaju ciała stałe mają uporządkowaną budowę wewnętrzną. Ich cząsteczki (albo atomy czy jony) tworzą w trójwymiarowej przestrzeni powtarzający się w nieskończoność wzór.

Nieco inaczej sytuacja ma się z tzw. kwazikryształami. Ich atomy również ułożone są w uporządkowany sposób. Jednak wzór się nie powtarza. Dzieje się natomiast coś zagadkowego: matematycznie kwazikryształy można opisać jako przekroje teoretycznych kryształów sześciowymiarowych.

Brzmi jak abstrakt matematyczny? Niekoniecznie. Kwazikryształy można syntezować na Ziemi. Po raz pierwszy zostały przypadkowo wytworzone w czasie testu bomby atomowej Trinity – tego samego, który został pokazany w filmie o Robercie Oppenheimerze. Później syntezowano je również w laboratoriach. Istnieją też w przyrodzie (choć nie na Ziemi). Jedyne trzy znane naturalne kwazikryształy znaleziono w syberyjskim meteorycie.

Droga przez kwazikryształy

Kwazikryształy intrygują naukowców różnych dziedzin, przede wszystkim jednak fizyków teoretycznych i matematyków. – Mają wszystkie symetrie, które nie mogłyby istnieć w zwykłych kryształach, co jest fascynujące – mówi Felix Flicker, fizyk teoretyczny z University of Bristol. – To piękna dziedzina matematyki, na dodatek taka, gdzie ludzie mogą docenić to piękno bezpośrednio, bez konieczności znajomości szczegółów.

Flicker wraz z kolegami zajął się następującym problemem: jak narysować ścieżkę, która przebiegałaby przez wszystkie atomy kwazikryształu, jednak przez każdy zaledwie raz? W matematyce nazywa się to wyznaczeniem ścieżki Hamiltona. Ścieżkę Hamiltona da się wytyczyć np. na szachownicy za pomocą skoczka. Jak widać poniżej, można go poprowadzić tak, że na każdym polu znajdzie się tylko raz.

Najtrudniejszy labirynt na świecie

Poprowadzenie ścieżki Hamiltona przez kwazikryształy – i to tak by nigdy się nie przecięła – to oczywiście inna para kaloszy. Naukowcy zrobili to z pomocą specjalnego algorytmu. Jego użycie dało niezwykły rysunek ultratrudnego labiryntu. Ma punkt startowy i wyjście. Można go skalować, tworząc fraktal (czyli obiekt, w którym najmniejsze części wyglądają jak największe).

Samo to już stanowi osiągnięcie, ponieważ wyznaczanie ścieżek Hamiltona jest trudne. Z reguły, im więcej atomów do połączenia, tym robi się ciężej. W pewnym momencie zaś problem staje się praktycznie nierozwiązywalny. Jednak – co zaskakujące – z pomocą napisanego przez naukowców algorytmu zadanie udało się wykonać.

Co więcej, badacze wykazali, że dla pewnych kwazikryształów rozwiązanie zawsze pozostaje stosunkowo łatwe. Pracę na ten temat opublikowali w czasopiśmie „Physical Review X”.

– Niektóre kwazikryształy stanowią szczególny przypadek, w którym problem jest nieoczekiwanie prosty. A wtedy niektóre pozornie niemożliwe problemy stają się możliwe do rozwiązania. Może to mieć skutki praktyczne obejmujące różne dziedziny nauki – uważa Flicker.

Czy to się da wykorzystać?

Gdzie te badania mogą się przydać? Po pierwsze, mogą zostać wykorzystane do usprawnienia działania skaningowego mikroskopu tunelowego. Urządzenie służy do obrazowania powierzchni materiału z dokładnością do pojedynczego atomu. Dokładność tę osiąga się dzięki ultracienkiej końcówce sondy skanującej, która porusza się przez materiał i „odkrywa” położenie poszczególnych atomów jeden po drugim.

Tworzenie obrazów jest jednak czasochłonne. Np. obrazowanie kwazikryształów tą metodą może trwać nawet miesiąc. Znajdując efektywniejszą drogę między kryształami, czas ten można skrócić o połowę, mówi Flicker.

Po drugie, badanie może poprawić efektywność procesu adsorpcji (nie mylić z absorbcją). Adsorpcja to sposób wiązania cząsteczek lub atomów na powierzchni innych materiałów – wykorzystuje go np. filtr w lodówce czy samochodzie pochłaniający zapachy. Pewne kwazikryształy mogłyby okazać się wyjątkowo skutecznymi adsorbentami, ponieważ wiązane cząsteczki układałyby się przy nich wzdłuż ścieżek Hamiltona. Tym samym możliwe było usprawnienie np. sekwestracji dwutlenku węgla (czy deponowania go tak, by nie powrócił do atmosfery). Naukowcy podejrzewają również, że dzięki ich badaniom mogą powstać efektywniejsze katalizatory.

A to nie koniec. – Mamy nadzieję, że najciekawsze zastosowania to rzeczy, o których nie pomyśleliśmy – podsumowuje na łamach „New Scientista” Flicker.

Źródła: Phys.org, New Scientist, Science Alert, Physical Review X.

Nasz ekspert

Magdalena Salik

Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Pasjami czyta i pisze, miłośniczka literatury popularnonaukowej i komputerowych gier RPG. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com