Шахові дошки роками надихали на розв’язання різних головоломок. Наприклад, чи можна, маючи стандартну шахову дошку та коня, перемістити фігуру так, щоб вона побувала на кожній клітині один і тільки один раз? Відповідь – так, і цей факт може допомогти в боротьбі зі зміною клімату. З математичної точки зору, цей “тур коня”, як називають задачу, є прикладом так званого гамільтонового циклу. Але що, якби замість звичайної шахівниці кінь подорожував по чомусь більш, скажімо, складному? Щось на кшталт квазікристалу?
Якщо ви не чули про квазікристали, це не дивно. Лише три з них були виявлені в природі, і всі вони були знайдені в 4,5-мільярдному метеориті у віддаленому куточку Сибіру. Технічно цей термін означає структуру, яка є впорядкованою, але не періодичною: атоми утворюють візерунок, але цей візерунок не повторюється ідеально – грубо кажучи, він виглядає як звичайний кристал, якщо примружитися. Але ця нерегулярна природа означає, що будь-яка екскурсія квазікристалом буде дуже особливою: вони мають фрактальну природу.
“Коли ми подивилися на форми ліній, які ми побудували, ми помітили, що вони утворюють неймовірно складні лабіринти”, – пояснив Фелікс Флікер, старший викладач фізики в Брістольському університеті та провідний автор нової статті про це відкриття. “Розміри наступних лабіринтів зростають експоненціально – і їх існує нескінченна кількість”, – сказав він.
Чому це важливо? Ну, пошук цих гамільтонієвих циклів навколо атомів кристалів зазвичай є складною, майже нерозв’язною проблемою – і це дуже прикро, тому що вона має кілька дійсно важливих застосувань. Наприклад, адсорбція: ні, це не орфографічна помилка – це хімічний процес, у якому атомні частинки видаляються з газів або рідких розчинів шляхом прилипання до поверхні твердого тіла.
Він також незамінний у промисловості. Адсорбція є ключовим фактором у процесі фарбування; у пом’якшенні жорсткої води та її збереженні там, де її не вистачає; у фармацевтичному виробництві та харчовій промисловості; це навіть процес, який робить активоване вугілля таким неоднозначним благословенням. У сучасному світі, що потерпає від зміни клімату, він також має одне особливо інтригуюче застосування: його можна використовувати для уловлювання та зберігання вуглецю, запобігаючи потраплянню небезпечних молекул CO2 в атмосферу.
Проблема полягає в тому, що дотепер промислова адсорбція покладалася на кристали – звичайні, не квазікристалічні. Тому відкриття того, що використання їхніх трохи викривлених двоюрідних братів може не лише спростити проблему пошуку гамільтонієвих циклів, але й значно підвищити ефективність процесу, є, м’яко кажучи, захоплюючим. “Наша робота […] показує, що квазікристали можуть бути кращими за кристали для деяких застосувань адсорбції, – каже Шобна Сінгх, доктор філософії з фізики в Університеті Кардіффа і співавтор нової статті. “Наприклад, вигнуті молекули знайдуть більше способів приземлитися на нерегулярно розташованих атомах квазікристалів”.
“Квазікристали також крихкі, тобто вони легко розпадаються на крихітні зерна, – додає Сінгх. “Це максимізує їхню площу поверхні для адсорбції”.
