Premiul Nobel pentru chimie 2011 (1)

Premiul Nobel pentru chimie (2011) a fost acordat lui Daniel Shechtman, pentru descoperirea cvasicristalelor, cristale cu o structură stranie, care încalcă regulile simetriei chimice. Citiţi în continuare interesanta poveste a descoperirii cvasicristalelor.

Când acesta a trecut în agenda sa descoperirea premiată cu Premiul Nobel în Chimie, a notat trei semne de întrebare lângă aceasta. Atomii în cristalul din faţa lui au produs o simetrie interzisă. Era la fel de imposibil ca o minge de fotbal – o sferă – făcută doar din poligoane cu cinci colţuri. De atunci, mozaicuri cu modele curioase şi secţiunea de aur în matematică şi artă i-au ajutat pe oamenii de ştiinţă să explice observaţia uluitoare a lui Shechtman.

„Eyn chaya kazo”, şi-a spus Daniel Shechtman, „Nu poate exista o asemenea creatură,” în limba ebraică. Era dimineaţa zilei de 8 aprilie 1982. Materialul pe care îl studia, un amestec de aluminiu şi mangan, avea un aspect ciudat, iar el s-a întors la microscopul electronic pentru a-l putea observa la nivel atomic. Totuşi, imaginea pe care acel microscop a creat-o a fost opusă oricărei logici: a văzut cercuri concentrice făcute din zece puncte clare la aceeaşi distanţă unul de altul (figura 1).

Shechtman a răcit rapid strălucitorul metal topit, iar brusca schimbare de temperatură trebuie să fi creat o dezordine completă printre atomi. Dar forma pe care a observat-o spunea o poveste complet diferită: atomii erau aranjaţi într-o manieră care era împotriva legilor naturii. Shechtman a numărat şi a renumărat punctele. Patru sau şase puncte în cercuri ar fi fost posibile, dar sub nicio formă zece. A făcut o însemnare în agenda lui: câte zece ???

Figura 1. Modelul de difracţie al lui Daniel Shechtman: întorcând imaginea o zecime din cercul complet (36 de grade) rezultă aceeaşi formă.

Figura 2. Lumina care trece printr-o reţea de difracţie suferă fenomenul de dispersie. Undele rezultate interacţionează unele cu altele, realizând un tipar (model) de difracţie.

Creste şi văi în cooperare

Pentru a înţelege experimentul lui Shechtman şi de ce savantul a fost atât de surprins, imaginaţi-vă următorul experiment făcut în sala de clasă. Un profesor de fizică transmite lumină printr-un disc de metal perforat, o aşa-numită reţea de difracţie (figura 2). Când undele luminoase călătoresc prin reţea, sunt refractate în acelaşi mod cum un val format pe suprafaţa oceanului se mişcă printr-o gaură dintr-un dig.

De cealaltă parte a reţelei de difracţie, undele se propagă căpătând o formă semicirculară. Crestele şi văile se consolidează şi se anulează unele pe celelalte. Pe un ecran din spatele reţelei de difracţie, va căpăta formă un tipar generat de zonele de lumină şi de întuneric – o imagine (un model) de difracţie.

O astfel de imagine de difracţie (figura 1) a obţinut Daniel Shechtman în acea dimineaţă de aprilie din 1982. Totuşi, experimentul său a fost diferit: a folosit electroni în loc de lumină, reţeaua lui a fost compusă din atomi dintr-un metal răcit cu rapiditate şi şi-a desfăşurat experimentul în trei dimensiuni.

Imaginea de difracţie a arătat că atomii dinăuntrul metalului erau aranjaţi într-o structură cristalină ordonată. Lucru în sine nu reprezenta ceva extraordinar. Aproape toate materialele solide, de la gheaţă la aur, constau din cristale ordonate. Totuşi, imaginea de difracţie cu zece puncte luminoase aranjate într-un cerc a fost ceva ce el nu mai văzuse înainte, în ciuda experienţei sale vaste de utilizare a microscopul electronic. În plus, un asemenea cristal nu a fost reprezentat în Tabelele Internaţionale de Cristalografie – principalul ghid de referinţă în ştiinţa cristalografiei. În acel moment, ştiinţa stipula clar că imaginea cu zece puncte într-un cerc era imposibilă şi dovada pentru asta era pe cât de simplă, pe atât de evidentă.

O formă împotriva oricărei logici

Înăuntrul unui cristal, atomii sunt ordonaţi în modele care se repetă şi, în funcţie de compoziţia chimică, ei prezintă simetrii diferite. În figura 3a, vedem că fiecare atom este înconjurat de trei atomi identici în forme care se repetă, producând o simetrie anume - de ordin 3. Rotind imaginea 120 de grade, va apărea aceeaşi formă.

Acelaşi principiu se aplică simetriei de ordin 4 - cvadruple (figura 3b) şi simetriei de ordin 6 - înşesite (figura 3c). Forma se repetă în cadrul structurii cristaline, iar dacă roteşti imaginea, 90 de grade şi respectiv 60 de grade, va apărea aceeaşi formă.

Figura 3. Diferite tipuri de simetrie în cristale. Formele din interiorul cristalului cu o simetrie încincită (de ordin 5) nu se pot repeta niciodată în cadrul structurii unui cristal.

Totuşi, în cazul simetriei de ordin 5 (figura 3d), un asemenea lucru nu este posibil, pentru că distanţele dintre anumiţi atomi sunt mai scurte decât cele dintre alţi atomi. Forma nu se poate aşadar repeta în cadrul strucurii cristaline, ceea ce a fost o dovadă suficientă pentru oamenii de ştiinţă că nu este posibil să obţii asemenea simetrii, de ordinul 5, în cristale. Acelaşi lucru se aplică simetriilor înşeptite (de ordinul 7) sau mai mari.

Shechtman, totuşi, a putut să rotească imaginea sa de difracţie cu o zecime dintr-un cerc complet (36 de grade) şi să obţină astfel aceeaşi formă. Aşadar, el privea la o simetrie de ordinul 10, una care era considerată până atunci imposibilă în realitate. Iată de ce nu e deloc surprinzător faptul că savantul a adăugat cele trei semne de întrebare în agendă.

Greşit, conform manualului clasic

Daniel Shechtman a ieşit din biroul său de la Institutului Naţional de Standarde şi Tehnologie (NIST) al SUA pe coridor, încercând să găsească pe cineva căruia să îi împărtăşească descoperirea. Dar pe hol nu se afla nimeni pentru moment, aşa că s-a întors la microscop, continuând experimentele pe curiosul cristal. Printre alte lucruri, el a verificat de două ori dacă nu cumva obţinuse un cristal geamăn: două cristale întrepătrunse a căror frontieră comună să fi dat naştere modelului ciudat de difracţie. Dar nu a putut să detecteze niciun semn care să-i confirme că se uită la un cristal geamăn.

În afară de aceasta, el a rotit cristalul în microscopul electronic pentru a vedea cât de departe îl va putea întoarce înainte ca imaginea de difracţie de ordinul 10 să reapară. Experimentul a arătat că cristalul în sine nu prezintă o simetrie de ordinul 10, asemenea imaginii de difracţie, ci una care avre la bază o simetrie de ordinul 5, de asemenea considerată imposibil de întâlnit în realitate. Daniel Shechtman a concluzionat că întreaga comunitate ştiinţifică trebuie să fi greşit în presupunerile sale anterioare.

Când Shechtman le-a împărtăşit colegilor de breaslă descoperirea lui, s-a confruntat cu o opoziţie foarte puternică din partea tuturor, unii colegi chiar găsind de cuviinţă să îl ridiculizeze din acest motiv. Mulţi au reclamat că ceea ce el a observat a fost de fapt un aşa-numit cristal geamăn. Şeful laboratorului i-a dat un manual de cristalografie şi i-a sugerat că ar trebui să îl citească. Toată agitaţia l-a determinat în cele din urmă pe şeful său să îl roage să părăsească grupul de cercetare, după cum Shechtman însuşi a povestit mai târziu. Situaţia devenise prea stânjenitoare.

Luptând împotriva ştiinţei oficiale

Daniel Shechtman a absolvit studiile doctorale la Technion – Institutul de Tehnologie din Israel, iar în 1983, el a reuşit să îl coopteze în proiectul său pe Ilan Blech, un coleg de facultate interesat de concluziile stranii ale cercetărilor sale. Împreună au încercat să interpreteze modelul de difracţie şi să-l traducă într-un model atomic al cristalului. Ei au trimis un articol către celebra publicaţie Journal of Applied Physics în vara lui 1984. Dar articolul s-a reîntors, aparent ca retur al poştei – editorul îl refuzase fără să clipească.

Shechtman l-a rugat atunci pe John Cahn, un fizician renumit, cel care îi şi propusese ideea să vină la NIST, să cerceteze informaţiile descoperite. Altminteri ocupatul cercetător a făcut acest lucru în cele din urmă şi, la rândul său, Cahn s-a consultat cu un cristalograf francez, Denis Gratias, pentru a vedea dacă Shechtman a omis ceva. Dar conform lui Gratias, experimentele lui Shechtman erau demne de încredere. Gratias ar fi procedat în aceeaşi manieră dacă ar fi efectuat el însuşi experimentul.

În noiembrie 1984, împreună cu Cahn, Blech şi Gratias, Shechtman a reuşit să îşi publice datele în celebra Physcal Review Letters. Articolul a venit ca o bombă printre cristalografi. A pus la îndoială cel mai fundamental adevăr al ştiinţei lor: că toate cristalele constau din modele periodice, repetitive.

Îndepărtând confuziile

Descoperirea a atins o audienţă mai largă, iar Daniel Shechtman a devenit ţinta chiar mai multor critici. În acelaşi timp, totuşi, cristalografii din jurul lumii au avut un moment de déjà vu. Mulţi dintre ei au obţinut imagini de difracţie similare în timpul analizelor altor materiale, dar au interpretat acele imagini punându-le pe seama cristalelor gemene. Acum au început să scormonească prin sertare pentru însemnări vechi de laborator şi, destul de curând, şi alte cristale asemănătoare au început să apară, caracterizate de simetrii aparent imposibile, de ordinul 8 sau de ordinul 12.

Când Shechtman şi-a publicat descoperirea, el încă nu avea o percepţie clară a felului cum arăta curiosul cristal pe dinăuntru. În mod evident, simetria lui era una de ordinul 5, dar, totuşi, cum erau atomii dispuşi în cristal? Răspunsul la întrebare avea să vină dintr-un domeniu greu de bănuit la acea vreme: jocurile matematice cu mozaicuri.

Despre DANIEL SHECHTMAN

Cetăţean israelian. Născut în 1941 la Tel Aviv, Israel. A obţinut titlul de doctor în 1972 la Institutul de Tehnologie - Technion, Haifa, Israel. Tot aici ocupă poziţia de Distinguished Professor la Catedra Philip Tobias.

Premiul Nobel pentru chimie 2011 (2)