А.П. Стахов

Квазикристаллы Дана Шехтмана: еще одно научное открытие, основанное на «золотом сечении», удостоено Нобелевской Премии

В Стокгольме объявлен лауреат Нобелевской премии по химии 2011 года

Награда досталась израильскому ученому Даниэлю Шехтману из технологического института Хайфы. Премия присуждена за открытие квазикристаллов (1982 г.). Статью о них Шехтман впервые опубликовал еще в 1984 году.

Открытие квазикристаллов является революционным открытием в области химии и кристаллографии, потому что оно экспериментально показало существование кристаллических структур, в которых проявляется икосаэдрическая или пентагональная симметрия, основанная на «золотом сечении». Это опровергает законы классической кристаллографии, согласно которым пентагональная симметрия запрещена в неживой природе.

Известный физик Д. Гратиа следующим образом оценивает значение этого открытия для современной науки: «Это понятие привело к расширению кристаллографии, вновь открытые богатства которой мы только начинаем изучать. Его значение в мире минералов можно поставить в один ряд с добавлением понятия иррациональных чисел к рациональным в математике».

Как подчеркивает Гратиа, «механическая прочность квазикристаллических сплавов резко возрастает; отсутствие периодичности приводит к замедлению распространения дислокаций по сравнению с обычными металлами … Это свойство имеет большое прикладное значение: применение икосаэдрической фазы позволит получить легкие и очень прочные сплавы внедрением мелких частиц квазикристаллов в алюминиевую матрицу». Именно поэтому к квазикристаллам в настоящее время привлечено внимание инженеров и технологов.

Кто такой Даниэль Шехтман? Шехтман родился в Тель-Авиве в 1941году, окончил Израильский технологический институт в Хайфе в 1972 году и с тех пор работает там исследователем. Ученый открыл квазикристаллы - уникальные химические конфигурации с неповторимым рисунком - в 1982году, опровергнув привычное представление о строении кристаллов.

«согласно прежним химическим канонам, кристаллы всегда "упакованы" в симметричные узоры. Однако исследования Шехтмана показали, что атомы в некоторых кристаллах расположены в неповторимой конфигурации, причем расположение атомов подчиняется закону золотого сечения. Создание материалов с квазикристалльной конфигурацией позволяет получить удивительные свойства предмета, в частности потрясающую твердость. Квазикристаллы получили свое название из-за того, что их кристаллическая решетка имеет не только периодическое строение, но и обладает осями симметрии разных порядков, существование которых ранее противоречило представлениям кристаллографов. В настоящее время существует около сотни разновидностей квазикристаллов».

Впервые о Дане Шехтмане и квазикристаллах я написал на сайте «Музей Гармонии и Золотого Сечения», созданным мною совместно с Анной Слученковой в 2001 г. И Шехтман оказался одним из первых, кто очень тепло отозвался о нашем Музее. Его письмо было очень кратким: «Алексей! Ваш сайт замечательный! Большое спасибо. Дан Шехтман». Но оно многого стоит, потому что получено от будущего Нобелевского Лауреата.

Кстати, эта Нобелевская Премия является не первой, выданная за научное открытие, основанное на «золотом сечении». В 1996 Нобелевская Премия в области химии была присуждена группе американских ученых за открытие «фуллеренов». Что такое «фуллерены»? Термином «фуллерены» называют замкнутые молекулы углерода типа С 60 , С 70 , С 76 , С 84 , в которых все атомы находятся на сферической или сфероидальной поверхности. Центральное место среди фуллеренов занимает молекула С 60 , которая характеризуется наибольшей симметрией и как следствие наибольшей стабильностью. В этой молекуле, напоминающей покрышку футбольного мяча и имеющей структуру правильного усеченного икосаэдра (см. рисунок), атомы углерода располагаются на сферической поверхности в вершинах 20 правильных шестиугольников и 12 правильных пятиугольников, так что каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит с шестиугольниками.

Усеченный икосаэдр (а) и структура молекулы С 60 (б)

Впервые они были синтезированы в 1985 учеными Робертом Керлом, Харолдом Крото, Ричардом Смолли. Фуллерены обладают необычными химическими и физическими свойствами. Так, при высоком давлении С 60 становится твердым, как алмаз. Его молекулы образуют кристаллическую структуру, как бы состоящую из идеально гладких шаров, свободно вращающихся в гранецентрированной кубической решетке. Благодаря этому свойству углерод C 60 можно использовать в качестве твердой смазки. Фуллерены обладают также магнитными и сверхпроводящими свойствами.

Российские ученые А.В. Елецкий и Б.М. Смирнов в своей статье «Фуллерены» отмечают, что «фуллерены, существование которых было установлено в середине 80-х, а эффективная технология выделения которых была разработана в 1990 г., в настоящее время стали предметом интенсивных исследований десятков научных групп. За результатами этих исследований пристально наблюдают прикладные фирмы. Поскольку эта модификация углерода преподнесла ученым целый ряд сюрпризов, было бы неразумным обсуждать прогнозы и возможные последствия изучения фуллеренов в ближайшее десятилетие, но следует быть готовым к новым неожиданностям».

С точки зрения «математики гармонии», восходящей к Пифагору, Платону и Евклиду и основанной Платоновых телах, «золотом сечении» и числах Фибоначчи (Alexey Stakhov. The Mathematics of Harmony. From Euclid to Contemporary Mathematics and Computer Science, World Scientific, 2009), эти два открытия являются официальным признанием того неоспоримого факта, что современное теоретическое естествознание переживает сложный этап перехода к новой научной парадигме, которая может быть названа «Гармонизацией теоретического естествознания», то есть, к возрождению «гармонических идей Пифагора, Платона и Евклида» в современной науке. Стоит только удивляться гениальной прозорливости Пифагора, Платона и Евклида, которые свыше двух тысячелетий тому назад предсказали роль, которую Платоновы тела и «золотое сечение» могут сыграть в современной науке.

Но ведь подобный процесс, который может быть назван «Гармонизацией Математики», происходит и в математической науке. В области математики Нобелевские премии не присуждаются. Но в этой области с помощью чисел Фибоначчи и "золотого сечения" были решены 2 важнейшие математические проблемы, поставленные Гильбертом, в 1900 г. – 10-я и 4-я проблемы Гильберта.
Полный текст доступен в

А.П. Стахов, Квазикристаллы Дана Шехтмана: еще одно научное открытие, основанное на «золотом сечении», удостоено Нобелевской Премии // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.16874, 07.10.2011

Дан шехтман. Он стал жертвой консервативности науки, которая отвергает идеи, отличающиеся от основного направления исследований. Шехтман столкнулся с неверием, насмешками и оскорблениями от коллег из Национального бюро стандартов США, где израильский уче

ШЕ́ХТМАН Дан (родился в 1941 г., Тель-Авив), выдающийся израильский физик и химик. Родился в семье выходцев из России. Его дед по материнской линии, Зеев Ашур (Вольф Зейликович Побережкин; 1882–1956), из семьи садгорских хасидов (см. хасидизм), был активистом еврейской социал-демократической партии По‘алей Цион , редактором партийной газеты на идише «Дер онфанг» (с 1908 г.), основателем (совместно с Ицхаком Бен-Цви и его супругой Рахель Янаит) первого социалистического журнала на иврите «Ахдут» («Единство», 1910); в 1920-е - 1940-е годы он руководил тель-авивской типографией, носившей его имя.

После окончания средней школы в Петах-Тикве и службы в армии Шехтман в 1962 г. поступил в Технион (Хайфа), в 1966 г. получил степень бакалавра в области механики, в 1968 г. - степень магистра в области технологии материалов, в 1972 г. - степень доктора. В 1972–75 гг. занимался в лаборатории военно-воздушных сил США (около города Дайтон, штат Охайо) научными исследованиями (структурные дефекты и свойства алюминидов титана).

В 1975–77 гг. Шехтман - преподаватель в Технионе, а в 1977–84 гг. - доцент факультета технологии материалов, в 1984–98 гг. - профессор, с 1998 г. - ведущий профессор. В 1981–89 гг. Шехтман в должности приглашенного профессора работал в Университете Джонса Хопкинса (Балтимор, штат Мэриленд, США) на факультете технологии материалов, в 1989–97 гг. - на факультете физики и астрономии, с 1997 г. - в Мэрилендском университете (Балтимор). В 2004 г. Шехтман начал работать в лаборатории Эймса Университета штата Айова, где ежегодно проводит несколько месяцев. Кроме этого, в 2014 г. возглавил международный научно-консультативный совет Томского политехнического университета.

Шехтман - один из ведущих ученых в области физики твердого тела, технологии материалов, кристаллографии. Основные научные исследования Шехтмана посвящены микроструктуре и свойствам быстро затвердевающих металлических сплавов и другим проблемам. Научные достижения Шехтмана были отмечены многочисленными наградами, в том числе международной премией Американского физического общества за исследования в области новых материалов (1987), премией Ротшильда по инженерии (1990), премией Х. Вейцмана за достижения в области науки (1993), Государственной премией Израиля по физике (1998), премией Вольфа по физике (1999), премией за заслуги в области искусства, науки и культуры (2002) и др. наградами. В 2011 г. был удостоен Нобелевской премии по химии за открытие квазикристаллов (первый открытый им в 1982 г. квазикристаллический сплав получил название «шехтманит»). Шехтман - автор сотен научных работ (некоторые в соавторстве).

В 1996 г. он был избран в Академию наук Израиля , в 2000 г. - в Национальную академию инженерных наук США, в 2004 г. - в Европейскую академию наук.

В январе 2014 г. объявил о выдвижении своей кандидатуры на пост президента Государства Израиль, обосновав это желанием содействовать развитию системы образования и расширению возможностей трудоустройства для ее выпускников. Шехтман построил свою предвыборную кампанию на том, что не связан ни с одной из партий и не имеет никаких обязательств перед ними. Однако в день выборов за него был отдан всего один голос.

На досуге Шехтман занимается изготовлением ювелирных украшений, выставка которых прошла в 2012 г. в хайфском Музее науки.

Дан Ше́хтман (род. 24 января 1941, Тель-Авив, Палестина) - израильский физик и химик; лауреат Нобелевской премии по химии 2011 года; профессор Университета штата Айова (Iowa State University), США; профессор университета «Технологический институт Израиля Технион» (Technion - Israel Institute of Technology); председатель Международного научного совета ТПУ . Постановлением Ученого совета ТПУ от 29.01.2016 г. (протокол № 1) Дану Шехтману присуждено звание Почетного члена ТПУ.

Биография

Дан Шехтман родился в Тель-Авиве в 1941 г. В 1966 г. в Технионе получил степень бакалавра в области машиностроения, в 1968 г. - магистра, а в 1972 г. - степень доктора философии (PhD). После получения степени PhD проф. Шехтман три года изучал свойства алюминидов титана в лаборатории Air Force Research Laboratory при авиабазе Райта-Паттерсона в штате Огайо, США. В 1975 г. он устроился на факультет материаловедения в Технионе. В 1981 - 1983 гг. в Университете Джонса Хопкинса, совместно с институтом НИСТ (США), занимался изучением быстроохлаждённых сплавов алюминия с переходными металлами. Результатом этих исследований стало открытие икосаэдрической фазы и последующее открытие квазипериодических кристаллов. В 1992 - 1994 гг. проф. Шехтман занимался изучением влияния дефектных структур кристаллов, выращенных методом химического осаждения из газовой фазы, на их рост и свойства. В период 2001- 2004 гг. проф. Шехтман возглавлял научный отдел Академии естественных и гуманитарных наук Израиля. В 2004 г. проф. Шехтман стал работать в лаборатории Эймса Университета штата Айова.

В 1996 г. Шехтман был избран членом Израильской академии наук, в 2000 г. - членом Национальной технической академии США, в 2004 г. - членом Европейской академии наук.

17 Января 2014 г. объявил о решении выставить свою кандидатуру на выборах президента Израиля 2014 г. По результатам выборов не был избран, набрав в первом круге выборов 1 голос из 120.

С 2014 г. возглавляет Международный научный совет Томского политехнического университета.

Награды

1986 - Премия фонда Фриденберга по физике
1988 - Американского физического общества
1988 - Премия Ротшильда
1998 - Государственная премия Израиля по физике
1999 - Премия Вольфа по физике
2000 - Премия Григория Аминова
2000 - Премия EMET
2008 - Премия Европейского общества материаловедения
2011 - Нобелевская премия по химии

Избранная библиография

D. Shechtman: Twin Determined Growth of Diamond Wafers , Materials Science and Engineering A184 (1994) 113
D. Shechtman, D. van Heerden, D. Josell: fcc Titanium in Ti-Al Multilayers , Materials Letters 20 (1994) 329
D. van Heerden, E. Zolotoyabko, D. Shechtman: Microstructural and Structural Characterization of Electrodeposited Cu/Ni multilayers , Materials Letters (1994)
I. Goldfarb, E. Zolotoyabko, A. Berner, D. Shechtman: Novel Specimen Preparation Technique for the Study of Multi Component Phase Diagrams , Materials Letters 21 (1994), 149-154
D. Josell, D. Shechtman, D. van Heerden: fcc Titanium in Ti/Ni Multilayers , Materials Letters 22 (1995), 275-279

05 октября 2011. 70-летний профессор хайфского Техниона Дан Шехтман удостоен Нобелевской премии по химии за его революционное открытие в области строения кристаллов. Шехтман стал десятым нобелевским лауреатом в истории Государства Израиль и четвертым израильским химиком, удостоенным высшей научной награды.
В сообщении Нобелевского комитета отмечается, что сделанное Шехтманом в 1982 году открытие вызвало ожесточенные споры в научной среде: «квази-кристаллы» Шехтера противоречили фундаментальным научным аксиомам своего времени, и ученого даже попросили уйти из его исследовательской группы.
Шехтман и его коллеги открыли в кристаллических телах «запрещенную» симметрию пятого порядка: атомы в квазикристалле упакованы в икосаэдр – правильный десятигранник. Такими десятигранниками невозможно заполнить пространство без зазоров и перекрытий, поэтому считалось, что в кристаллических структурах икосаэдры невозможны (так же, как невозможен паркет в виде правильных пятиугольников).
Шехтману пришлось отстаивать свое открытие в упорной борьбе, и в конце концов его работа заставила ученых пересмотреть самые фундаментальные взгляды на структуру вещества, - подчеркивает Нобелевский комитет. В результате открытий Шехтмана родилась новая область физической химии, занимающаяся изучением квазипериодических кристаллов.
Два года назад Нобелевскую премию по химии получила израильтянка Ада Йонат. До нее Нобелевскими лауреатами стали восемь израильтян: Шмуэль Йосеф Агнон (литература), Авраам Гершко и Аарон Чехановер (химия), Роберт Ауман и Даниэль Канеман (экономика). Менахем Бегин, Ицхак Рабин и Шимон Перес стали лауреатами Нобелевской премии мира. Israelinfo.ru

Даниэль Шехтман первый квазикристалл обнаружил в 1984 году - это был сплав алюминия с марганцем, атомы которого располагались в квазирешетчатых структурах. Как отметил председатель Нобелевского комитета по химии Ларс Теландер, история открытия известна практически поминутно.

Открытие сделано на рубеже нескольких наук. Изучение квазикристаллов - междисциплинарная наука, соединяющая в себе химию, физику, математику и науки о материалах. Квазикристалл - одна из форм организации атомов, характеризующаяся пятью и более осями симметрии.

Главный хранитель основного фонда Минералогического музея им. Ферсмана Михаил Генералов рассказал «Известиям», что подтверждение теории Шехтмана удалось найти в России.

C XIII века считалось, что количество кристаллических структур строго определено, - объясняет Генералов. - Нахождение россыпи алюминиево-марганцевых минералов на территории Чукотского автономного округа несколько лет назад стало независимым подтверждением открытия профессора Шехтмана. Найдены минералы были в районе реки Хатырка в Корякии и получили название Хатыркит и Куполит. Их кристаллическая структура соответствует структуре квазикристаллов.

Дмитрий Пущаровский, декан геологического факультета МГУ, подчеркнул, что над Шехтманом насмехался весь научный мир до тех пор, пока в России не нашлись квазикристаллы, названные впоследствии икосаэдритами.

Такая структура увеличивает прочность материала в разы, - говорит Пущаровский. -

Даниэль Шехтман — Нобелевский лауреат.

Нобелевский лауреат октября 2011 Дан Шехтман

Ему и его открытию пришлось подвергнуться критике учёного сообщества по классической кристаллографии. И в результате он стал лауреатом Нобелевской премии в 2011 году.

На вопрос журналиста как ему удалось тогда выстоять он ответил:

“Впрочем, способность идти против течения проявилась у меня еще в детстве, когда весь класс говорил: «Ты ошибаешься», а я продолжал настаивать на своём: мол, это вы все ошибаетесь, а я прав. Я никогда не боялся иметь свое мнение, отличное от большинства”.

Человечество связано с кристаллическим миром, поскольку это и есть физико-био-химическая основа нашего физического тела. И она разумна, так же, как и вся природа, окружающая нас.

Новое Время настраивает нас на то, чтобы человек открыл в себе и во внешнем окружении Новое Знание структуры кристаллов и кристаллической природы света. И даже базовые знания и физические законы организации материи расступаются, чтобы помочь человечеству выйти на новый виток эволюции.

Все, кто интересуются кристаллографией, знают сегодня об удивительном открытии квазикристаллов. Квазикристаллы – это одна из форм организации структуры твердых тел наряду с кристаллами и аморфными телами.

Они обладают рядом уникальных свойств и никак не вписываются в имеющуюся теорию, которая была заложена в 1611 году немецким астрономом и математиком Иоганном Кепплером в трактате «О шестиугольных снежинках». Кристаллография допускает лишь 32 точечные группы симметрии, поскольку в кристаллах возможны оси симметрии только 1, 2, 3, 4 и 6 порядков.

Однако квазикристаллы обладают дальним порядком в расположении молекул и точечной симметрией пяти-, десяти-, восьми- и двенадцатиугольника, чем опровергают известные «законы природы».

Эта история об учёном Дане Шехтмане, исследователе в области химии и физики, профессиональном знатоке современных электронных микроскопов, который пошёл «против течения старых законов», веря и защищая своё открытие.

Дан Шехтман родился 24 января 1941 года в Тель-Авиве и ещё в детстве мечтал стать инженером, как герой романа «Таинственный остров» Жюля Верна, который превратил пустынный остров в пышный сад. Следуя за мечтой, Шехтман поступил в Израильский технологический институт в Хайфе на факультет машиностроения.

Окончив его в 1966 году, он не смог найти работу, и решил продолжить учебу в магистратуре. Шехтман влюбился в науку и пошел в докторантуру. Во время учебы он пришел в восторг от электронного микроскопа и усовершенствовал методы его использования.

Именно с помощью электронного микроскопа Дан Шехтман проводил эксперименты по дифракции электронов на быстро охлажденном сплаве алюминия с переходными металлами.

Это произошло в Национальном институте стандартов и технологии в США. Утром 8 апреля 1982 года (точная дата открытия, что, кстати, большая редкость, сохранилась благодаря журналу Шехтмана) он изучал дифракционную картину, которая получалась после рассеивания пучка электронов на образце быстро застывавшего сплава алюминия и марганца.

В результате такого рассеивания на фотопластине обычно проступает набор ярких точек, расположение которых связано с расположением атомов в решетке кристаллического материала.

Картина электронной дифракции на квазикристалле

Увидев такую картину, Шехтман был крайне удивлен. По его собственным словам, он даже произнес вслух фразу на иврите, которую можно примерно перевести как “Этого просто не может быть”, сделав в журнале запись: “10-го порядка???”

Понять Шехтмана было довольно легко: сделанное им открытие противоречило всему, что на тот момент люди знали о структуре кристаллов.

Это открытие сделало его одним из самых непопулярных ученых в кристаллографии.

Он стал жертвой консервативности науки, которая отвергает идеи, отличающиеся от основного направления исследований. Шехтман столкнулся с неверием, насмешками и оскорблениями от коллег из Национального бюро стандартов США, где израильский ученый работал во время отпуска в Технионе.

Его научная карьера подверглась серьезным испытаниям, когда Лайнус Полинг, светило науки и дважды лауреат Нобелевской премии, назвал его «квази-ученым» а его идеи – глупостями.

Даже статью с результатами своего эксперимента Шехтману удалось опубликовать лишь через два года после ее написания, да и то в сокращенном виде.

Первое признание пришло в середине 1980-х, когда коллегам из Франции и Индии удалось повторить эксперимент израильского ученого, доказав, что невозможное возможно и квазикристаллы, действительно, существуют.

Выход статьи произвел эффект разорвавшейся бомбы. Многие ученые вдруг неожиданно вспомнили, что либо слышали от коллег, либо сами получали похожие парадоксальные результаты.

Например, уже в 1972 году исследователи обнаружили, что кристаллы углекислого натрия (обычной соды) рассеивают электроны “неправильно”, но позже, однако, списали все на ошибку в измерениях и дефекты материала.

В декабре 1984 года, почти сразу после публикации Шехтмана, в Physical Review Letters появилась статья Дова Левина и Пола Стейнхардта и затем аналогичная работа советских ученых в феврале 1985 года, в которой объяснялся процесс формирования необычного материала.

Использовав наработки Маккея, они стали первыми физиками, кто связал результаты Шехтмана с богатыми на тот момент математическими наработками по непериодическим разбиениям плоскости и пространства. Также Левин и Стейнхардт были первыми, кто употребил слово “квазикристалл”.

Эта и последовавшие за ней работы убедили научное сообщество в истинности сделанного Шехтманом открытия. А в 2009 году американо-итальянская группа с Полом Стейнхардт обнаружила впервые квазикристаллы в природе.

Они состоят из атомов железа, меди и алюминия и содержатся в минерале хатырките в единственном месте – на Корякском нагорье, на Чукотке, возле ручья Лиственитовый.

Нобелевская премия по химии 2011 года присуждена профессору Израильского технологического института в Хайфе Даниэлю Шехтману «за открытие квазикристаллов». Характерно, что в сообщении Нобелевского комитета о присуждении премии в области химии за 2011 год Дану Шехтману особо подчеркивалось, что «его открытия заставили ученых пересмотреть свои представления о самой природе материи».

Особую симпатию вызвал у меня тот факт, что Дан Шехтман, будучи творческим человеком, увлекался изготовлением ювелирных украшений для своей жены. Они вызвали настоящее восхищение в Стокгольме на церемонии вручения Нобелевской премии Дану Шехтману в декабре 2011.

Искусство сакральной геометрии развивает в человеке пропорции Фибоначчи и помогает учёным, без сомнения, в раскрытии своих исследовательских качеств.

Прочитав в 2011 году о нобелевском лауреате по химии, я была очень взволнована. У меня была двойная радость. Первая – за профессора Дана Шехтмана, а вторая – за изготовленную мною модель двух взаимоподдерживающих сакральных фигур.

Наконец-то она вписалась в раздел кристаллографии. Для меня «его величество додекаэдр-икосаэдр» является основой понимания волновой природы света.

КАТЕГОРИИ