Det umulige mønsteret

Da Daniel Shechtman oppdaget krystallmønsteret som ikke burde finnes, ble han først latterliggjort og ignorert. 29 år seinere får han Nobelprisen i kjemi.

Publisert

Den 8. april 1982 tok den israelske forskeren Daniel Shechtman et bilde av et krystall av aluminium, tilsatt små mengder mangan, jern og krom.

Bildet ble tatt med et elektronmikroskop. Det betyr at elektroner, og ikke vanlig lys, laget bildet.

Det var heller ikke noe vanlig bilde. Elektronene dannet bølgemønstre når de gikk gjennom metallet, omtrent som når bølgeringen fra et fiskevak treffer steiner i vannet.

Elektronbølgetoppene laget lyse områder i bildet, og bølgedalene laget mørke områder. Dette kalles diffraksjon - se figuren under.

Et diffraksjonsbilde framkommer der bølgetopper forsterker hverandre. Her et forenklet bilde av hvordan tre steiner i et vann (grå sirkler) skaper bølgetopper (inne i røde ringer) fra for eksempel en fisk som vaker (til venstre). (Foto: (Figur: forskning.no))
Et diffraksjonsbilde framkommer der bølgetopper forsterker hverandre. Her et forenklet bilde av hvordan tre steiner i et vann (grå sirkler) skaper bølgetopper (inne i røde ringer) fra for eksempel en fisk som vaker (til venstre). (Foto: (Figur: forskning.no))

Symmetrisk stjerne

Egentlig burde bølgetoppene og bølgedalene ikke laget noe regelmessig mønster i det hele tatt. Shechtman hadde nemlig avkjølt aluminiumslegeringen raskt, og da burde atomene ligget ganske kaotisk fordelt i metallet, uten noe symmetrisk mønster.

Derfor var det regelmessige diffraksjonsmønsteret en stor overraskelse. Men enda mer overraskende var det at de hvite prikkene av elektronbølgetopper strålte utover som en stjerne med ti symmetriske tagger.

Daniel Shechtman (Foto: American Technion Society, hentet fra YouTube)
Daniel Shechtman (Foto: American Technion Society, hentet fra YouTube)

En symmetri i ti forskjellige retninger skulle være umulig, i følge lærebøkene på den tiden.

Latterliggjort

Derfor ble artikkelen med resultatene først refusert av tidsskriftet Journal of Applied Physics.

Og motstanden blant kolleger var så stor at sjefen hans ved det amerikanske National Institute of Standards and Technology ba ham forlate forskergruppen på grunn av all oppstandelsen og latterliggjøringen.

Teorier må utvides

- Denne observasjonen av Shechtman brøt med de anerkjente teoriene av hvordan krystallinske stoffer skulle se ut, sier Helmer Fjellvåg til forskning.no. Han er professor ved Kjemisk institutt på Universitetet i Oslo.

Helmer Fjellvåg (Foto: Universitetet i Oslo)
Helmer Fjellvåg (Foto: Universitetet i Oslo)

- Dette er et eksempel på hvordan nye observasjoner viser at tidligere teorier ikke er fullstendige. Det betyr riktignok ikke at de er feil, men at de trenger å utvides, sier Fjellvåg.

Han viser til hvordan de nye omstridte resultatene fra CERN-eksperimentet med nøytrinoer som et annet lignende eksempel, selv om verifikasjon ennå er påkrevd.

De betyr ikke nødvendigvis at Einsteins teorier er feil, men at de kan være en del av et enda større teoretisk bilde.

- På samme måte var ikke Newtons klassiske teorier for bevegelse feil. De hadde bare begrenset gyldighet. De ble utvidet av Einsteins relativitetsteori, eksemplifiserer Fjellvåg videre.

Mosaikk og matematikk

Etter at Shechtmans resultater omsider ble publisert i tidsskriftet Physical Review Letters, begynte letingen etter teoriene som kunne forklare det umulige diffraksjonsmønsteret.

Og merkelig nok var de allerede funnet – blant annet som mosaikker på det arabiske slottet Alhambra i Granada i Spania.

Typisk for disse mosaikkene er at de har et mønster, men at mønsteret aldri gjentar seg. Men ennå hadde ingen forstått at slike ikke-repeterende krystallmønstre også finnes i metallet som Shechtman hadde tatt bilde av.

Det måtte en matematiker til for å legge det teoretiske grunnlaget. Allerede på 1970-tallet hadde briten Roger Penrose klart å gjenskape et ikke-repeterende mønster med bare to forskjellige typer mosaikkbrikker.

Fra matematikk til krystaller

Krystallografen Alan Mackay tok Penroses mønster videre. I 1982 erstattet han mosaikkbrikkene med atomer i sin teoretiske modell. Så laget han et atomgitter i dette aperiodiske mønsteret. Dette gitteret gav en titakket stjerne, to år før Shechtman så sitt stjernemønster i laboratoriet.

To år seinere oppdaget så fysikerne Paul Steinhardt og Dov Levine at stjernemønstrene til Mackay og Shechtman var like. Koblingen var gjort.

Kvasikrystaller

- Denne Nobelprisen kunne like gjerne vært delt ut i fysikk som kjemi, sier Helmer Fjellvåg.

Med dette ønsker han overhodet ikke å ta æren fra Daniel Shechtman, bare å vise til at oppdagelsen er så grunnleggende at den berører mange fagområder.

- Krystallografi brukes til å beskrive repeterende mønstre i mange slags materialer, fra halvledere, metaller, keramer og mineraler til livets byggesteiner, proteiner, sier Fjellvåg.

Forskerne kalte de nyoppdagede aperiodiske krystallene for kvasikrystaller. De er av stor grunnleggende teoretisk betydning, men kan også anvendes til nye, nyttige materialer.

Strøm fra eksos og barberblader

Denne typen krystaller har veldig lav varmeledningsevne. Derfor kan den være aktuell å bruke i såkalte termoelektriske materialer, som omdanner varmeforskjeller direkte til elektrisistet.

- Slike materialer kan blant annet brukes til å utnytte spillvarmen i eksos fra tunge kjøretøy, forklarer Fjellvåg.

Kvasikrystaller blir allerede nå brukt til å gjøre stål hardere. De lager en slags armering i det mykere stålet, slik at det blant annet kan brukes i barberblader og tynne nåler.

- Funnet til Shechtman gir grunnleggende ny innsikt i hvordan materialer bygges opp, konkluderer Helmer Fjellvåg.

Referanse og lenker:

D. Shechtman, I. Belch: Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry, Physical Review Letters, Vol 53, No 20, 12. november 1984

Populærvitenskapelig artikkel på Nobelprisens offisielle nettside

Quasicrystals, a New Form of Matter, populærvitenskapelig video på YouTube med Daniel Shechtman

Shechtmans nettside på nettstedet til Israel University of Technology

Shechtmans nettsiden på nettstedet til Ames Lab, Department of Energy, USA