Матеріали квазікристалічні

Визначення і загальна характеристика

МАТЕРІА́ЛИ КВАЗІКРИСТАЛÍЧНІ  — тверді тіла, переважно інтерметалідні фази, для яких характерне чітко впорядковане пакування атомів і далекий орієнтаційний порядок, але відсутня періодичність у розташуванні атомів. Ін. назва — квазікристали (КК). На відміну від кристалів, КК властива ротац. симетрія 5-го, 8-го, 10-го або 12-го порядків. Їх відкрив 1982 ізраїл. учений Д. Шехтман (2011 отримав Нобелів. премію з хімії) під час вивчення сплаву Al0,86Mn0,14, який одержу­ва­ли після швидкого загартування з рідкого стану (швидк. охолодження з розплаву бл. 1 млн °С/сек.). Зразок сплаву розсіював пучок електронів і рентґенів. промені, утворюючи чітку ди­фракц. картину, при цьому вона мала точк. симетрію 5-го порядку. Фігури травлення на поверхні також мали симетрію 5-го порядку. Опублікувати отримані результати Д. Шехт­ману вдалося лише після 2-річ. спіл. дослідж. із Дж. Каном, І. Блехом і Д. Ґратіасом. За пропозицією Дж. Кана, КК спочатку називали шехтманітами. Пізніше встановлено, що хоча в нових матеріалах немає періодичності в розташуванні атомів, у матем. сенсі там є квазіперіодичність. Структура більшості кристалів ґрунтується на таких простих геом. фігурах, як куб, тетраедр і октаедр, структура КК — переважно на ікосаедрі (багатогранник, що має 20 граней, кожна з яких є правил. трикутником). У тривимір. просторі 4 атоми, якщо їх зобразити у вигляді сфер, щільно пакуються в тетраедр. Із незнач. спотвореннями 20 тетраедрів повністю пакуються в ікосаедр, що складається з 13-ти атомів, один з яких розташ. у центрі, а 12 — на поверхні. Однак ікосаедр має осі 5-го порядку, під час заповнен­ня ними простору виникає не­узгодженість. Власне й сам ікосаедр недосконалий, оскільки між 12-ма атомами (що відображуються як сфери) на поверхні є невеликі проміжки. Відстань між атомами на поверхні приблизно на 5 % більша, ніж відстань до центр. атома. Додавання нових атомів у вигляді атом. шару поверх ікосаедра лише збільшує таку неузгодженість. Тому КК, зазвичай, утворюються ікосаедр. кластерами, між якими розташовуються «склеювал.» атоми, що можуть мати ін. розмір, це зменшує або компенсує неузгодженість.

У 1970-х рр. британ. учений Р. Пенроуз відкрив матем. можливість заповнення простору кількома простими комірками з утворенням неперіодич. структури. Т. зв. мозаїку, або паркет Пенроуза почали використовувати для опису й квазікристаліч. структури. За її допомогою можна щільно замостити плоску поверхню атом. структурою, в якій є дальній орієнтац. порядок і симетрія 5-го порядку, але немає трансляц. симетрії. Якщо вузл. точки мозаїки замінити атомами, то вона стає аналогом двовимір. КК. Р. Пенроуз винайшов мозаїку, що утворюється всього двома ромбами. Внутр. кути одного ромба дорівнюють 36 і 144° («тонкий» ромб), а другого — 72 і 108° («товстий» ромб). Ромби збирають разом за певними правилами. У мозаїці Пенроуза відношення числа «товстих» ромбів до числа «тонких» дорівнює значенню т. зв. золотого перетину:

Оскільки це число ірраціональне, то в мозаїці Пенроуза не можна виділити елементарну комірку, яка містила б ціле число ромбів кожного виду і забезпечувала б формування всієї ґратки.

Існує ін., проекційний, спосіб одержання квазікристаліч. структур. Доведено, що в 6-вимір. просторі КК мають періодичну структуру куба. Тому усі розрахунки проводять у 6-вимір. ґратці, а потім отримані результати проектують у 3-вимір. простір.

Розрізняють метастабіл. і стабіл. КК. Більшість КК метастабільні (відомо понад 200), їх можна одержати лише під час швидкого охолодження розплаву (хоча критична швидкість охолодження, зазвичай, нижча, ніж для отримання аморф. станів). Стабіл. КК виявлені в системах Al–Fe–Cu, Al–Cu–Li, Al–Cu–Mg, Al–Pd–Mn та ін. і можуть бути отримані у вигляді моноквазікристалів. КК на основі Al найбільш вивчені, однак існують також КК на основі V, Nb, Mn, Zn, Ti, Zr,Mg та ін. металів.

Осн. властивості КК: низька щільність; висока твердість, що зберігається за підвищених т-р; високий модуль Юнґа; низька теплопровідність (на рівні оксид. кераміки); висока короз. стійкість; низька поверхн. енергія; низький коефіцієнт тертя; коефіцієнт терміч. розширення бли-зький за значенням до коефіцієнта терміч. розширення металів; широкий діапазон електроопору ρ і типу залежності ρ(Т), зокрема й матеріалів з низькою електропровідністю на рівні напівпровідників. Застосування КК як конструкц. матеріалу без в’яз-кої зв’язки обмежене через їхню крихкість, проте як покриття широковживані й мають значні перспективи.

Найбільше КК застосовують як засоби для акумулювання водню, термічні бар’єри (авіац. турбіни та турбіни електрогенераторів, дизелі тощо), селект. поглиначі світла, непригоряючі покриття для хім. реакторів, кухон. посуду, покриття для інструментів, каталізатори у хім. реакціях, дисперсійно-зміцнюючі частинки в алюм. сплавах і сталях.

Нині відкриття КК, поряд з аморф. метал. сплавами, високотемператур. надпровідниками та нанокристаліч. матеріалами, розглядають як найвизначніше досягнення матеріалознавства 20 ст. Своїми працями Д. Шехтман і його колеги ініціювали інтенсивні світ. теор. й експерим. вивчення КК, зокрема й в Україні. Знач. обсяг дослідж. здійснено у НАНУ — в Інститутах проблем матеріало­знав­ства, металофізики, електрозварювання (усі — Київ) та Харків. фіз.-тех. інституті. Укр. учені отримали нові дані про механізм деформації КК і вперше виявили криві деформації цих кристалів при кімнат. т-рі; розвинули наук. уявлення та здобули експерим. дані про мех. властивості наноквазікристалів; створили технологію одержання наноквазікристалів; розробили нові високоміцні алюм. сплави, зміцнені нанодисперс. частинками КК, для підвищених т-р; вивчили особливості дифузії в КК; створили метод отримання зміцнених КК частками поверхн. шарів у металах (унаслідок ультра­звук. удар. оброблення); розробили склади квазікристаліч. покриттів і технології їхнього нанесення газотерміч. методами та методом швидкіс. електронно-променевого випаровування; запропонували технологію отримання КК на основі титану та дослідили їхні фіз.-мех. властивості.

Завантажити статтю