Marcin Zemła Proseminarium fizyka teoretyczna 15 stycznia 2018 r. Quasi-kryształy Marcin Zemła Proseminarium fizyka teoretyczna 15 stycznia 2018 r.

Plan prezentacji Wprowadzenie Odkrycie prof. Shechtmana Kwazikryształy Co to jest kryształ? Kafelki, parkietaże… Odkrycie prof. Shechtmana Kwazikryształy (Nie)możliwe symetrie Struktura a właściwości Zastosowania kwazikryształów

Wprowadzenie Atomy, jony, cząsteczki… Uporządkowany Nieuporządkowany Formy organizowania się atomów (jonów, cząsteczek): Uporządkowanie bliskiego zasięgu Uporządkowanie dalekiego zasięgu

Wprowadzenie: kryształy Kryształ [gr. krýstallos] - ciało w stałym stanie skupienia, o prawidłowej budowie wewnętrznej, ograniczone naturalnymi płaskimi ścianami, tworzącymi wypukły wielościan. [Encyklopedia PWN] Kryształy wykazują uporządkowanie w postaci: Symetrii translacyjnej Symetrii obrotowej Osie symetrii n-krotnych (w kryształach mogą występować osie 1-,2-,3-,4- i 6-krotne) Symetrii lustrzanej (odbiciowej) Wektory bazowe

Wprowadzenie: kryształy W 1848 r. August Bravais odkrył, że w trójwymiarowej przestrzeni istnieje 14 typów sieci (komórek elementarnych) wypełniających przestrzeń poprzez translacje. Układ trójskośny Układ jednoskośny Prymitywny Centrowany na podstawach Układ rombowy Przestrzennie centrowany Ściennie centrowany Układ tetragonalny Układ heksagonalny Trygonalny Układ regularny

Wprowadzenie: parkietaże Komórki elementarne muszą być tak konstruowane aby wypełniały całą przestrzeń bez luk W 2D mogą to być:

Wprowadzenie: parkietaże A co z 5-kątami (oraz 7- i więcej kątami)? Nie da się zapełnić przestrzeni bez luk

Wprowadzenie: parkietaż Penrose W 1974 sir Roger Penrose znalazł parkietaż o symetrii 5-krotnej http://kevs3d.co.uk/dev/lsystems/ Penrose Roger (1974), "The role of aesthetics in pure and applied mathematical research", Bulletin of the Institute of Mathematics and its Applications, 10: 266ff.

Odkrycie prof. Shechtmana https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2011/advanced-chemistryprize2011.pdf

Odkrycie prof. Shechtmana Przykładowy dyfraktogram płaszczyzny (0001) struktury HZ Wyniki prof. Shechtmana Przykładowe dyfraktogramy struktury RPC (górny -płaszczyzna (111), dolny – płaszczyzna (112))

Odkrycie prof. Shechtmana Prace teoretyczne pokazały, że struktury aperiodyczne również mogą dawać wyraźne piki na dyfraktogramach A. Mack ay (1982) Crystallography and the Penrose Pattern, Physica A114 , pp 609 -613 . D. Levine, R.Steinhardt (1984) “Quasicrystals: a new class of ordered structures”, Physical Review Letters 53 (26), pp 2477-2480.

Odkrycie prof. Shechtmana Wyniki prof. Shechtmana D. Shechtman, I. Blech (1985) “The microstructure of rapidly solidified Al6Mn”, Metallurgical Transactions 16A, pp 1005-1012. D. Shechtman, I. Blech, D. Gratias, J.W. Cahn (1984) “Metallic phase with long range orientational order and no translation symmetry”, Physical Review Letters 53 (20), pp 1951-1954.

Kwazikryształy Ciała stałe posiadające strukturę z uporządkowaniem dalekiego zasięgu bez trójwymiarowej periodyczności (symetrii) translacyjnej. Budowanie iteracyjne 1D kwazikryształu Zasady: w kolejnej iteracji S→L, L→LS 1.S 2.L 3.LS * L/S = 1.61803…= φ 4.LSL 5.LSLLS 6.LSLLSLSL 7.LSLLSLSLLSLLS… tg(α) =1/φ α

Kwazikryształy: (nie)możliwe symetrie Symetria 5-krotna. Występuje np. w: Mg23Zn68Y9 alloy Kolejne punkty dyfrakcyjne znajdują się coraz dalej φ φ2 φ3 φ4 1

Kwazikryształy: (nie)możliwe symetrie Symetria 8-krotna. Występuje np. w: Symetria 10-krotna. Występuje np. w: V-Ni-Si Mn-Si-Al Mg40Zn58RE2 (RE = Y, Dy, Ho, Er, Tm, Lu…)

Kwazikryształy: (nie)możliwe symetrie Symetria 12-krotna. Występuje np. w: Płaszczyzna prostopadła do osi 12-krotnej w Al-Co-Ni V-Ni Cr-Ni Al-Co-Ni S. Deloudi, W. Steurer (2007) “Systematic cluster-based modeling of the phases in the stability region of decagonal Al-Co-Ni”, Philos.Mag. 87, pp 2727–2732

Kwazikryształy: (nie)możliwe symetrie Symetria 20-krotna. Występuje np. w: Ho-Mg-Zn I.R. Fisher et al., Phil Mag B 77 (1998) 1601

Kwazikryształy: n-wymiarów Kwazikryształy mogą posiadać kwaziperiodyczność na 1, 2 lub 3 wymiarach. QP QP/P Ho-Mg-Zn Al-Ni-Co Kwazikryształy posiadające symetrię dwudziestokrotną są 3D-kwaziperiodyczne Kwazikryształy posiadające symetrie 8-,10- i 12-krotną mają 2 wymiary QP oraz jeden P 3D QP = periodyczność w 6D 2D QP + 1D P = periodyczność w 5D

Struktura a właściwości To w jaki sposób są ułożone atomy w materiale ma znaczący wpływ na takie właściwości jak np.: Plastyczność Wytrzymałość Energia Błędu Ułożenia Właściwości magnetyczne – np. kierunki łatwego namagnesowania Przewodność termiczna i cieplna Odporność na korozję …

Właściwości i zastosowanie Niski współczynnik tarcia oraz wysoka odporność na ścieranie (np. Al-Cu-Fe-Cr, Al-Cu-Fe) Wyraźnie obniżona przewodność cieplna i elektryczna (np.Al-Co-Fe-Cr) Wysoka odporność na utlenianie(np.Al-Co-Fe-Cr) Podwyższony moduł Younga oraz możliwe wydłużenie Powłoki przeciwtarciowe, powłoki zapobiegające przyleganiu np. jedzenia Bariery termiczne Sensory podczerwieni Umocnienie do kompozytów polimerowych Zbiorniki na wodór Katalizatory Powłoki i warstwy antykorozyjne Ostrza do golarek

Koniec