Alusetu hirmu ületamine

Raivo Stern

Nobeli keemiaauhind 2011 anti kvaasiperioodiliste kristallide avastamise eest.        Selle aasta Nobeli preemia keemias on välja kasvanud üle veerand sajandi tagustest füüsikauuringutest. Artikkel pealkirjaga „Metallifaas kaugkorrastatusega ja translatsioonisümmeetriata”, autorid Shechtman, Blech, Gratias ja Cahn, ilmus Physical Review Lettersis (PRL) novembris 1984 ja on praegu selle füüsikute  tippajakirja viidatavuselt 18. artikkel üle 3200 tsiteeringuga.       

Preemia saaja Dan Shechtman tegi oma jahmatava avastuse aprillis 1982, olles sabatipuhkusel US As riiklikus standardite büroos. Uurides kiirjahutatud alumiiniumi ja mangaani sulameid nägi ta nende elektrondifraktsioonipiltides kristallidele iseloomulikke, kuid ebatavalise  pöörd(rotatsiooni)sümmeetriaga kujundeid. See sümmeetria oli sobimatu kujutistega, mida oldi harjutud nägema korrapäraste kristallide puhul. Shechtman oli ootamatult avastanud kvaasikristalli.       

Normaalsetes kristallides paiknevad aatomid kolmemõõtmelistes võrerakkude sõlmedes. Iga sellist rakku ümbritsevad temaga identsed võrerakud. Kvaasikristallides on aatomite lähipaiknemine samuti korrapärane, aga rakke ümbritsevad neist erinevad aatomite paigutused. Kuigi need struktuurid on hämmastavalt 
sarnased matemaatik Roger Penrose’i leiutatud kvaasiperioodiliste mosaiikidega (1977 populariseerinud Scientific Americanis Martin Gardner), oli kristallograafias raske tunnetada seda eksperimentaalset läbimurret. Kvaasiperioodilised mosaiigid ja parketid on laialt levinud idamaistes sakraal- jm hoonetes. Tagantjärele võib meid ainult üllatada, kui ohtralt selliseid mustreid ja kujutisi on avalikus ruumis vaat et tuhandete aastate jooksul kasutatud. Ka Shechtman  ise ei saanud kohe oma objekti kvaasikristallilisest struktuurist aru ja oli pigem lummatud difraktsioonipildist. Ta teadis, et selline pilt ei pärine tüüpilistest kristallidefektidest, mida kristallide kasvamisel ette tuleb, aga ta ei suutnud välja pakkuda selgitust, kuidas selline pilt oli tekkinud. Hiljem tekitasid kvaasikristallid terve aktiivsuse tõusulaine nii kristallograafias, matemaatikas, füüsikas, keemias kui ka materjaliteaduses.  Algul aga suhtuti Shechtmani avastusse suure skepsisega. Kahe aasta jooksul ei leidunud kedagi, kes oleks tema avastusse uskunud ja teda lihtsalt naeruvääristati. Mitmeid varasemaid skandaale (polüvesi, Derjugini vesi*) oli teadusmaailmas alles õhus ja ta kartis nii oma teadusliku kui ka akadeemilise karjääri pärast. Õnneks soostus üks Shechtmani kolleegidest Technioni ülikoolis tema andmetega tegelema. 1984 pakkus Ilan Blech välja mudeli, mida  hiljem hakati nimetama ikosaheedrilise klaasi mudeliks. Teadlased kirjutasid koos artikli, mis sisaldas nii mudelit kui ka eksperimentaalseid leide ning saatsid selle 1984. aasta suvel ajakirjale Journal of Applied Physics (JAP). JAP lükkas artikli tagasi ettekäändega, et sellel puudub nende lugejaskonnas adressaat ja soovitas selle saata metallurgiaajakirjale. Shechtman ja Blech järgisid toimetajate soovitust. Artikkel võeti ajakirja Metallurgical Transactions toimetuses  vastu, jäi aga ligi aastaks ilmumata. 

Viimaks tutvustas Shechtman artiklit oma kauaaegsele võõrustajale riiklikus standardite büroos (praegu riiklik standardite ja tehnoloogia instituut, NIST) ja väljapaistvale materjaliteadlasele John Cahnile. Cahn soovitas teha artikli ladusamaks, jätta välja mudeli ja eksperimendi üksikasjad ning piirduda ainult eksperimentaalse leiuga. Pärast konsulteerimist prantsuse matemaatikust kristallograafi  Denis Gratiasiga saatis nelik lühendatud artikli oktoobris 1984, üle kahe aasta Shechtmani algsest avastusest hiljem, Physical Review Lettersisse, kus see mõne nädala pärast ilmus. Seekord järgnes vastukaja kohe, meenutab Shechtman. Teadlased üle kogu maailma helistasid talle juba vaid mõni päev pärast ajakirja ilmumist, et öelda: „Me tegime seda ja me näeme sedasama, mida sinagi.” Mõni kuu hiljem toimunud matemaatilise kristallograafia 

rahvusvahelisel konverentsil domineerisid diskussioonid Shechtmani artikli üle ja 1986. aastal korraldati juba kvaasikristallide temaatikale pühendatud rahvusvahelisi konverentse. See avastus pakkus värsket hingust väljakutseid otsivatele noortele teadlastele ja kvaasikristallide teadus on suur väljakutse, selles pole kahtlust.       
Tõsiasi, et nii paljud teadlased suutsid  kohe korrata Shechtmani tulemust, on mõistatus omaette. Kuidas suutsid kvaasikristallid nii pikalt teadusüldsuse eest peituda? Sellele küsimusele on ta korduvalt püüdnud vastust leida. Lisaks kaasautoritelt saadud asendamatule sisendile vajas Shechtmani avastus kriitilisi komponente. Esmalt tuli sünteesida/valmistada pigem esoteerilised kui kasulikud kiirelt jahutatud sulamid. Seejärel peab teadlane neid uurima läbistus-elektronmikroskoobiga ja  olema selles pagana osav, teostama suure arvu üksikasjalikke analüüse ja lõpuks seisma vastu uskmatute maailmale ja naeruvääristamisele, et kaitsta oma ideed. Shechtman möönab, et on tõenäoline, et teised olid varem kvaasikristalle näinud, ilma seda mõistmata. Nägemine oli vaid üks samm pikas protsessis, mis viis kuulsa ja preemia toonud artiklini. Blech lahkus Technionist peatselt pärast seda, kui ta oli aidanud Shechtmanil kvaasikristalle  identifitseerida. Cohn on nüüd emeriitteadur NISTi juures ja sai 1998. aastal Ameerika Ühendriikide kõrgeima teadusauhinna – National Medal of Science – panuse eest teadusse, tahkisefüüsikasse, keemiasse ja matemaatikasse. Gratis on praegu Prantsusmaal mikrostruktuuride uurimislaboratooriumi (Laboratoire d’Études des Microstructures) direktor. Shechtman on endiselt Technioni juures ja on, arvates välja viieaastase teemandi keemilisele  sadestamisele pühendatud vahepala, veetnud pea kogu oma teadlaseelu kvaasikristalle uurides. Avastusel, mida ta kunagi kartis kujunevat polüvee skandaaliga samaväärseks häbiks, oli tema elule erakordne mõju. See avastus lähendas teda muudele teadustele, lõi tutvusi teiste teadlastega ning asetas ta konverentside ja diskussioonide keskmesse. Ta on saanud oma kvaasikristallide uurimise eest rohkesti autasusid ning on esitatud veel paljudele  enamatele. 

Imekspandavalt on Shechtmanil üks tõsine pretensioon enda alustatud uurimisvaldkonnale:  see on sõna „kvaasikristall” kasutamine. Talle ei meeldi see mõiste, kuna see vihjab, nagu kvaasiperioodilised kristallid polekski kristallid, kuigi vastavalt Kristallograafide Rahvusvahelise Liidu (International Union of Crystallographers, IUC) definitsioonile nad on. Kuid see mõiste on laialdaselt kasutuses. Tema eelistaks nimetada neid kvaasiperioodilisteks materjalideks. Enim tsiteeritud PRLi artiklis ei ole kvaasikristallide mõistet kasutatud. Tegemist on aga kristallidega,  korrastatud ainega, kuid see korrastatus ilmneb muul moel. Rakendustele inspireerivad kvaasikristallide tavatud omadused – madal hõõrdetegur; tugevus, kuluvustakistus, oksüdeerumiskindlus; ja madal elektri- ja soojusmahtuvus – teevad kvaasikristallid paljutõotavaks praktiliste rakenduste jaoks. Eelkõige on need kasutuses mitmesuguste kattematerjalidena. Ka loodusest on kvaasikristalle leitud. Ajakirja  Science 2009. aasta juuninumber teatas esimeste looduslike kvaasikristallide leiust Venemaal Korjaki mägismaal. Sellele mineraalile Al63Cu24Fe13 anti nimeks ikosahedriit. Samas rõhutatakse, et kvaasikristalle sisaldavate mineraalide leid kinnitab vaid nende stabiilsust geoloogilistes protsessides, ei seleta aga nende tekkimisprotsessi.       

Kvaasikristallide valmistamine on endiselt suhteliselt keeruline, nende põhirakendused  on õhukesed kattekiled, mis kantakse alustele amorfses faasis ja kõrgkuumutatakse siis õigesse, kvaasikristalsesse faasi. Kvaasikristallid on siiski metallid ja kuigi nende juhtivus keerukuse kasvades muutub pooljuhilaadseks, ei paku nad konkurentsi robustsele ränitehnoloogiale. Sinna ootaks tõsist võistlejat pigem eelmise aasta Nobeli füüsikaauhinna valdkonnast, grafeenimaailmast**. Miks aga selline üsna füüsikaline avastus on  saanud keemiapreemia? Ega nüüd füüsika ja keemia vahel sedavõrd ranget piiri olegi. On mitmeid preemiasaajaid, keda võiks valdkondade vahel ümber tõsta. Süsiniku allotroopidest anti keradele, fullereenidele keemiapreemia, aga tasasele ühe aatomi paksusele süsinikkilele, grafeenile, füüsikapreemia.       

* 1960. aastatel alguse saanud oletus ja ekslikud eksperimendid vee erilisest seisundist, mille puhul vee külmumistemperatuur langes 40 Celsiuse miinuskraadini, keemistemperatuur tõusis 150 Celsiuse kraadini ja tegu oli viskoosse, tavalisest veest tihedama ollusega.  Tegemist oli otsesõnu pseudoteadusega, sest vee sellise seisundi põhjustas suur hulk lahustunud ühendeid.       

** grafeen on ühe aatomi paksune grafiidikiht, millel on füüsikaliselt ja tehniliselt huvipakkuvad omadused, mis võimaldavad grafeenist valmistada pooljuhtseadiseid seni levinud räni asemel.

Kui sulle meeldis see postitus jaga seda oma sõpradega

[LoginRadius_Share]
 

Leia veel huvitavat lugemist

Värske Rõhk
Hea laps
LR
Keel ja kirjandus
Akadeemia
Kunstel
Muusika
Õpetajate leht
Täheke
TeaterMuusikaKino
Vikerkaar
Looming