Veszprémi Tamás

Általános kémia

Negyedik, átdolgozott kiadás

4. kiad.

5.1.3.3. Kvázikristályok1

Amint elmondtuk, a kristályrendszerek szimmetriája azt az alapvető szükségszerűséget tükrözi, hogy a teret folytonosan kell kitöltenie a kristályos anyagnak. Ez az oka annak, hogy mindösszesen hét különböző kristályrendszert ismerünk, melybe az összes kristályos anyag besorolható, és hogy pl. 5ös szimmetria az elemi cellában nem fordulhat elő. Ez bizony nem teljesen igaz, ezért most kicsit szégyenkezve szabadkozunk, hogy tudatosan félrevezettük az olvasót.

1984ben egy hirtelen lehűtött alumíniummangánötvözet röntgendiffrakciós vizsgálata olyan kristálycella létezését valószínűsítette, melyben a tiltott ötös szimmetria jelent meg. Ezután, különböző ötvözetek szisztematikus vizsgálata során hamar kiderült, hogy meglehetősen sok esetben tapasztalható hasonló szerkezet, melyet kvázikristálynak neveztek el. Ma már nemcsak kvázikristályos fázisokat tudnak nagy számban előállítani, hanem több milliméteres, tökéletes kváziegykristályszemcséket is. Kvázikristályok keletkeznek pl. alumíniumnak vassal, nikkellel, rézzel, lítiummal és kobalttal alkotott különböző ötvözeteiben. A kvázikristályok szimmetriája sokféle lehet. Ismerünk pl. dodekaéderes, ikozaéderes és egyéb, a klasszikus kristálytanban egyértelműen tiltott szimmetriájú „elemi cellát”.

A kvázikristályok szerkezetét háromféle modellel szokták értelmezni. Az első, az ún. üvegmodell, melyet két amerikai fizikus, Peter W. Stephens and Alan J. Goldman javasolt, azt feltételezi, hogy egyes elszigetelt kristályszemcsék amorf, üvegszerű közegben „úsznak”. Ilyenkor természetesen tetszőleges szimmetriájú kristályszemcse is létrejöhet. A Penrosemodell (a híres brit matematikus, Roger Penrose neve után) azt feltételezi, hogy a kristályrács nem egy, hanem többféle, pontos szabályok szerint egymáshoz illeszkedő elemi cellából épül fel, melyek különkülön nem képesek hézagmentesen kitölteni a teret, de együttesen már igen. Ugyanakkor az egyes elemi cellák semmiféle periodicitást nem mutatnak, vagy ahogy mondjuk, nincs transzlációs szimmetriájuk. Az anyag tehát tökéletesen rendezett, mint a szabályos kristályokban, csak éppen a periodikus ismétlődés hiányzik. Végül a harmadik modell kombinálja az előző kettőt. E szerint a többféle elemi cella nem szigorú rend szerint, hanem véletlenszerűen épül egymáshoz, és tölti ki a teret. Az üveg és Penrosemodellre ad kétdimenziós példát az 5.48. ábra.

A kvázikristályok gyakorta mutatnak igen érdekes fizikai tulajdonságokat. Általában rossz elektromos vezetők, mágneses és mechanikai tulajdonságaikban is különböznek az összetevőik tulajdonságaitól. Gyakran igen kemények, ami miatt pl. kopásnak kitett alumíniumfelületek bevonására kitűnően használhatók.

Manapság kvázikristályokat már nemcsak fémötvözetekben találtak, de folyadékkristályokban, polimerekben, sőt nanopórusos anyagokban is. Persze amire mi képesek vagyunk, képes a természet is. 2011-ben Kamcsatkán találtak egy kvázikristályt tartalmazó kőzetet, mely egy ősi meteorit becsapódása során keletkezhetett. 2021-ben pedig Új-Mexikóban, egy régi kísérleti atomrobbantás hamujának elemzése mutatta ki kvázikristályok jelenlétét (lásd Nature Materials, 11. kötet, 749. oldal, 2012, Nature, 565. kötet, 156. oldal, 2019, és Proceedings of the National Academy of Sciences, 118. kötet 2021.

5.48. ábra. Kvázikristályok két és három dimenzióban. a) Üvegmodell: az elemi kristályszemcsék nem kristályos közegben „úszkálnak”. b) Penrose-model: négy különböző elemi cella (ötszög, rombusz, csillag és csónak) kitölti a teret. A különböző elemi cellák szabálytalanul rendeződnek, nincs periodicitás. c) Egy gyönyörű Zn, Mg és Ho ötvözet kvázikristály. (Engedéllyel reprodukálva a következõ publikációból: I. R. Fisher, K. O. Cheon, A. F. Panchula and P. C. Canfield,M. Chernikov and H. R. Ott, K. Dennis: Phys. Rev. B, 1999, Vol. 59, p. 308. Copyright (2008) by the American Physical Society, http://publish.aps.org/linkfaq.html.) Hogy hasonló dodekaéder alakzat látható az 5.41/b ábrán? A különbség óriási. Az 5.41/b ábrán látható pirit elemi cellája köbös, az itt látható kvázikristályban viszont a diffrakciós mérések szerint dodekaéderes cellák vannak.

1 A 2011es év kémiai Nobeldíját az izraeli Daniel Shechtman kapta a kvázikristályok felfedezésével és készítésével kapcsolatos munkáiért.

Tartalomjegyzék

Kiadó: Akadémiai Kiadó

Online megjelenés éve: 2026

Nyomtatott megjelenés éve: 2026

ISBN: 978 963 664 114 6

Kémia

A kémiának számos ága létezik (szerves, szervetlen, fizikai, analitikai, bio- és polimer-kémia stb.), de általános kémia nevű diszciplínát nem ismerünk. Mégis: a General Chemistry, Allgemeine Chemie, Общая химия kifejezések jól ismertek az egész világon. A világ minden részén százszámra találhatók ilyen címmel könyvek, és aligha van olyan egyetemi kémia fakultás, ahol ez a tantárgy ismeretlen. Az általános kémia kurzusok és könyvünk célja az, hogy az olvasó középiskolából hozott kémiai ismereteit olyan szintre segítse, amelyre a fenti szaktárgyak alapozhatnak. Feladata az alapfogalmak definiálása, mintegy a kémiai nyelv alapszókincsének megismertetése, a fontosabb fizikai és kémiai jelenségek és összefüggések megvilágítása.

A könyv több – tipográfiailag is elkülönített – szinten használható. Anyaga a középiskolai kémiától elvezet az egyetemek másod- és harmadéves fizikai kémia tárgyáig. A fontos jelenségek mellé a haladók számára mélyebb magyarázatokat mellékel, melyeket a kezdők nyugodtan átugorhatnak anélkül, hogy ez gátolná a fő gondolat-menet megértését. Az olvasót számos érdekesség, tudománytörténeti kitekintés, rengeteg színes ábra, fénykép és több száz kidolgozott példa is segíti.

Könyvünk elsőrendű célja tehát adott: bevezetés vagy inkább átvezetés a felsőfokú kémiába. A megcélzott olvasókör is adott: érdeklődő középiskolásoknak éppúgy szól, mint első- és másodéves, kémiát tanuló egyetemi hallgatóknak. Emellett ajánlható a középiskolák kémiatanárainak is: számos, a középiskolákban is könnyen használható anyagot tartalmaz – másként, mint ahogyan a középiskolákban általában tanítani szokás. Végül, de nem utolsósorban ajánljuk a könyvet mindazoknak, akik bármikor, bármilyen szinten belekóstoltak vagy belemerültek a kémia izgalmas világába.

Hivatkozás: https://mersz.hu/altalanos-kemia-uj//

BibTeX EndNote Mendeley Zotero