Nanojulekalender 5: En kontroversiel krystal

Dagens femte nano-kalenderlåge handler om kvasikrystaller, de rigtige krystallers uartige lillesøster. En krystal er - hvis det skal være helt rigtigt - defineret som et mønster eller en struktur som gentager sig i alle rummets (3) dimensioner. Det vil for eksempel sige at mit yndlingsmønster - grafens smukke sekskantede bikube-mønster - strengt taget ikke er en rigtig krystal. Den gentager jo sig netop kun i 2 dimensioner.

Men hvad så med disse hersens kvasikrystaller? Er det ikke paradoksalt, grænsende til det ubehøvlede, at tale om en struktur der er krystallinsk uden at gentage sig selv (Jo åbenbart - se lidt længere nede i teksten). Hvis du står midt i en af de mest berømte kvasikrystallinske mønster, en Penrose flise, og ser ud over landskabet, ser det måske ved første øjekast ud som en krystal. Men det sted du står er unikt, og findes ikke lige præcis andre steder. Du kan ved at gå hen over det svimlende skakbræt og finde et sted der LIGNER det sted du kom fra, men det vil ikke være nøjagtigt det samme. Hver position er unik og repeteres ikke.

Penrose fik i 2020 Nobelprisen i fysik for sine bidrag til forståelsen af sorte huller. Det var derimod Daniel Shectman, der i 2011 fik Nobelprisen i kemi for opdagelsen af kvasikrystaller, efter at have observeret dem eksperimentelt i årene op til 1984, hvor han skrev sin første artikel. Han blev udsat for massiv latterliggørelse og fjendtlighed fordi hans observationer stred mod den gængse opfattelse af hvad materialer kan, anført af superstjernen Linus Pauling, der kaldte Schectman en "kvasi-forsker". Slemme Pauling måtte æde sin hat og sin stolthed, men jeg er ikke sikker på at han nogensinde indrømmede at have taget fejl.

Roger Penrose opfandt denne rundtossede variant af kvasikrystallen, der både kan have spejlsymmetri og rotationssymmetri, men stadig ikke nogensinde gentager sig. Det er til at blive bims af at tænke på. Men som juledekoration tænker jeg at Penrose fliser må være det ypperste i matematiske juledekorationer, helt oppe med Møbius guirlander og Sierpinski trekant juletræer.

Det bedste er et at kvasikrystaller findes i virkeligheden, og hvor Penrose fliser er dem de fleste har set før, er kvasikrystaller i kraft af deres krystallinske ikke-periodiske struktur, ikke bare fascinerende men også nyttige. Man kan finde dem i meteorer eller finde dem rundt om i undergrunden, og de har en lang række ret praktiske egenskaber: de kan modstå korrosion, er hårde, og er gode elektriske og termiske isolatorer, men den besynderlige ikke-krystalstruktur koster på stabiliteten - de færreste kvasikrystaller kan tåle at blive varmet ret meget op før de falder fra hinanden. Der er undtagelser; en legering af aluminum, kobber, jern og krom der er kvasikrystallinsk, kan bruges til at lave en superhård coating til stegepander, der ikke afgiver fluor (som Teflon agtige coatings gør), og er ekstrem hård (10 gange hårdere end rustfrit stål), og som kan tåle hård behandling med metal-redskaber. Desværre bliver de opløst af salt (efter noget tid) og er ikke i brug.

Nok om stegepander.

Jeg vil anbefale at google kvasikrystaller ("quasicrystals") for at finde smukke, mærkelige og unikke mønstre til dekorative formål. Så er der noget at snakke om! Kvasikrystaller har været brugt i mange århundreder til dekoration, og juletiden er oplagt til at lave geometriske narrestreger, så frem med penslen eller saksen (eller computeren), og se at få lavet nogle kvasikrystaller!

HOV HOV HOV - jeg har slet ikke nævnt mine elskede 2D materialer endnu. Godt at jeg lige mindede mig selv om at jeg skulle ride en tur rundt om juletræet på min kæphest, de vidunderlige, forunderlige og ofte ret underlige 2-dimensionale materialer jeg er bidt og besat af. Dem kan man selvfølgelig også lave kvasikrystaller af, på en yderst elegant måde.

Hvis man tager to stykker grafen (!) og lægger oven på hinanden, og roterer dem på en ganske bestemt måde, får man en såkaldt "moire kvasikrystal". Ordet "moire" referer til det interferensmønster der opstår når to periodiske mønster skiftevis er i takt og ude af takt, og når man rotorer to ens mønstre i forhold til hinanden får man netop en kaleidoscopisk og syret effekt, som afspejler sig i ligeså kaleidoskopiske og syrede fysiske egenskaber (hurra for fysikken!). Ved at rotere to stykker grafen i forhold til hinanden lykkes det i 2018 at gøre grafen til en superleder, hvilket var et regulært chok for os allesammen. Hvis man tager to stykker toast og roterer i forhold til hinanden bliver de jo ikke til en tomat, vel? Det har jeg tidligere skrevet om - læs det!.

I 2018 fandt forskere fra Korea så ud af at man også kan få to stykker grafen til at lave en kvasikrystal, og DET er en juledekoration jeg godt kunne tænke mig at lave. Det er mere svært end man lige skulle tro - det er nemlig ikke helt læg at styre vinklen og placeringen præcist når man lægger to grafen flager ovenpå hinanden.

Her i år dukkede en spændende artikel op, hvor forfatterne påstår at de har dyrket grafen kvasikrystaller med CVD - kemisk vapor deposition - som vi også arbejder med. Det lyder unægteligt nemmere end den manuelle måde vi plejer at bruge. Og ganske rigtigt - ifølge artiklen - opfører den mærkværdige moire-ikke-krystal sig også væsentligt anderledes i elektriske målinger. Elektroner (og fononer - gittervibrationer der transporterer varme) er slaver af krystalstrukturen, så når krystalstrukturen er underlig, kan transporten af strøm og varme også blive det.

Det prøver vi måske en dag - her på kort sigt, December 2020, tror jeg at jeg går igang med saks og papir til alle tiders Penrose juledekoration.