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

Неожиданность открытия Шехтмана была в том, что до него кристаллографы знали: у кристаллов есть осевая симметрия второго, третьего, четвертого и шестого порядков. Иначе говоря, кристаллы совпадут сами с собой при повороте на 180 градусов (симметрия второго порядка), 120 градусов (симметрия третьего порядка), на 90 градусов (симметрия четвертого порядка) и на 60 градусов (симметрия шестого порядка).

Но Шехтман обнаружил симметрию пятого порядка - так, как если бы кристалл совпал сам собой при повороте на 72 градуса.
Симметрией пятого порядка обладает так называемая мозаика Пенроуза - узор, собранный из немного различающихся по размеру ромбов, предложенный английским математиком Роджером Пенроузом в 1973 году. До открытия Шехтмана считалось, что мозаика - не более, чем математическая абстракция.

В ноябре 1984 года журнал Physical Review Letters опубликовал статью Шехтмана об экспериментальном доказательстве существования металлического сплава с уникальными свойствами. Некоторые эксперты сравнивают значение открытия квазикристаллов для кристаллографии с введением понятия иррациональных чисел в математике.

Между живым и неживым

Симметрия пятого порядка, отсутствующая в неживой природе, широко представлена в мире живого - ее, в частности, обладают цветы груши и яблони, морские звезды. Поэтому квазикристаллы зачастую называют "мостиком" между живым и неживым.

Четверть века после первой публикации Шехтмама по квазикристаллам считалось, что они могут быть созданы только искусственным путем. Но в 2009 году естественные квазикристаллы, состоящие из атомов железа, меди и алюминия, были обнаружены в России во фрагментах пород, собранных на Корякском нагорье.

Квазикристаллы представляют собой сплавы металлических элементов, и свойства их уникальны, они находят широкое применение в разных областях, пояснил РИА Новости профессор Московского института стали и сплавов Юрий Векилов. По его словам, у них низкая теплопроводность, их электрическое сопротивление с ростом температуры падает, в то время как у обычных металлов растет. Квазикристаллы используются в авиационной и автомобильной промышленности в виде легирующих добавок, отметил ученый.

Нобелевский юбилей Израиля

Шехтман стал "юбилейным", десятым представителем Израиля, получившим Нобелевскую премию. Первым нобелиатом из этой страны стал писатель Шмуль Йосеф Агнон, получивший в 1966 году совместно с немецкой поэтессой Нелли Закс премию по литературе. Позже в XX веке нобелиатами становились премьер-министры Израиля Менахем Бегин и Ицхак Рабин с президентом Шимоном Пересом. Приход нового века был отмечен двумя израильскими лауреатами в области экономики и тремя - в области химии.

Решение Нобелевского комитета не оправдало различные прогнозы, в частности, игроков в посвященном химии блоге ChemBark. Согласно их ставкам, большие шансы на получение премии в этом году были у француза Пьера Шамбона и двух американцев, Рональда Эванса и Элвуда Дженсена, совершивших свои открытия в области так называемых ядерных рецепторов, которые регулируют работу генов в живых клетках.

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.

Профессор Дан Шехтман – один из величайший физиков и химиков современности, первооткрыватель квазикристаллов, получивший за это Нобелевскую премию. В эксклюзивном интервью Jewish . ru профессор Шехтман рассказал, как открыл свои квазикристаллы, зачем баллотировался на пост президента Израиля и почему увлёкся изготовлением ювелирных украшений.

Д-р Шехтман, вы – сабра, коренной израильтянин, родившийся в Тель-Авиве в семье выходцев из Украины. Ваш дед прошел путь от садигорского хасида до основателя первого социалистического журнала на иврите. Он знал Бен-Гуриона, Бен-Цви, других отцов-основателей Израиля. Какое влияние он на вас оказал?
– Огромное. Дед – уроженец Днепропетровска – был поистине удивительным человеком. Во-первых, он научил меня не рассуждать о предметах, в которых я не разбираюсь. Во-вторых, привил стремление постигать суть вещей. Он не был религиозен и воспитывал меня в таком же духе, пробуждая интерес к тому, как устроен этот мир. У него всегда были ответы для меня, собственно, и ученым-то я стал благодаря деду. На мой седьмой день рождения он подарил мне увеличительное стекло, и я стал исследовать все вокруг. В 10 лет в школе меня не могли оторвать от микроскопа, который учитель имел неосторожность один раз принести на урок. А в Технионе я был первым студентом, прикоснувшимся к электронному микроскопу, разговаривавшим с его разработчиками.

Человек, прочитавший в детстве 25 раз «Таинственный остров» Жюля Верна, должен быть неисправимым романтиком и авантюристом. Ведь поначалу ваши идеи о квазикристаллах называли бредом. Говорят, что начальник лаборатории подарил вам учебник химии и посоветовал внимательно прочесть, чтобы вы поняли, что занимаетесь ерундой. Что помогло тогда выстоять против течения?
– То, что я был специалистом в своейобласти – я действительно разбираюсь в микроскопах, а мои оппоненты, в том числе дважды лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг (по химии и мира. – Прим. ред. ), такими специалистами не были. 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.

Большинство коллег д-ра Шехтмана по обе стороны океана долгие годы не разделяли его уверенности в существовании квазикристаллов. Стан оппонентов возглавлял выдающийся химик и харизматичная личность, лауреат множества научных премий Лайнус Полинг, чья фраза: «Нет такого понятия, как квазикристаллы, есть лишь квазиученые» – стала крылатой. До последнего дня, а умер он в 93 года, Полинг повторял, что «Дани Шехтман несет чушь».

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. 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».

Вы известны не только как крупнейший ученый, но активист модернизации системы образования. В вашем портфеле и создание детских садов с научным уклоном, и курс технологического предпринимательства в Технионе, который за 30 лет прослушали уже 10000 человек. Зачем вам это нужно?
– Для любой революции требуется человек, который берет на себя определенные обязательства и начинает менять реальность. Обучать науке нужно с детства: ребенок, которому исполнился год, еще почти не говорит, а в три он уже болтает без умолку – какому взрослому под силу такие темпы обучения? Главное, продемонстрировать детям, что наука – это увлекательная игра.
Однажды я выступал на радио, популяризируя идею преподавания естественных наук в детских садах. И через минуту после окончания передачи раздался звонок: мэр Хайфы предложил мне этим заняться. Сегодня таких детских садов уже порядка 60. Кроме того, я веду на образовательном канале израильского телевидения программу «Быть ученым с профессором Даном» – это шоу, во время которого мы с тремя мальчиками и девочками шести лет обсуждаем, например, почему день сменяет ночь. Или говорим о свете: днем светит солнце, а ночью? Луна? Вот и нет! Это и для многих родителей, кстати, откровение…
Что касается курса технологического предпринимательства, то поначалу многие в Технионе отнеслись к нему со скепсисом: мол, это не совсем наука. Но курс стал очень популярен, а Израиль за эти 30 лет превратился в нацию стартапов – у нас их больше 5000. Мы учимся разговаривать с миром, продавая наши продукты.

И весьма успешны в этом!
– У каждой страны свой характер, своя специфика – их тяжело изменить, но можно использовать. Мы живем в недружественном окружении, все юноши и девушки служат в армии, поэтому поступают в университет в 22-23 года, а не в 18 лет, как в других странах. Зато они ответственны, серьезно настроены на учебу, обладают задатками лидерских качеств и заражены предпринимательским духом. То, что наука и технологии станут главным фактором развития страны, понимали еще отцы-основатели. А сегодня на израильском юге – в безжизненной пустыне и на солончаках – процветает множество фермерских хозяйств, каждое из которых экспортирует овощи и фрукты в Европу на миллион долларов в год. И это тоже наука и технологии.

В 2015 году в Израиле появилось около 1400 новых стартап-компаний, общий объем привлеченного капитала побил все рекорды и составил $4,43 млрд. Всего было проведено 708 сделок этого рода. В прошлом году Израиль занял второе место (после США) среди стран, в которые предпочитают инвестировать венчурные фонды. Израильская стартап-экосистема оказалась на первом месте после американской, страна занимает также первое место в мире в области исследований и разработок (в прошлом году было открыто 30 новых R&D-центров), третье по уровню инноваций и четвертое по доступности капитала и развитию предпринимательства. Общая сумма сделок M&A(слияния и поглощения) среди израильских стартапов достигла $7,2 млрд, то есть речь идет о беспрецедентном (на 44%) росте по сравнению с 2014 годом. Наиболее активным M&A-игроком на израильском рынке стала корпорация Microsoft, поглотившая 5 израильских стартап-компаний. Экспорт израильской сферы высоких технологий вырос до $37,5 млрд.
Во время одной из поездок в Израиль председатель совета директоров Google и основатель венчурного фонда Innovation Endeavors Эрик Шмидт сказал: «Израиль процветает в сфере инноваций, потому что является носителем культуры, которая позволяет подвергать сомнению авторитет и бросать вызов всему – вы не следуете правилам».

Два года назад вы баллотировались на пост президента Израиля и проиграли. Зачем вы выставляли свою кандидатуру? Да, три израильских президента были крупными учеными, но если серьезно, что вы хотели изменить в стране, заняв этот представительский пост?
– Прежде всего, используя свое влияние как президента, я хотел изменить систему образования и просвещения в Израиле. Она действительно нуждается в переменах, обновлении и модернизации.

Как-то в 2014 году, отвечая на вопрос, почему он баллотировался на пост президента Израиля, д-р Шехтман сказал: «Я хочу создать условия, при которых мои дети и внуки смогут жить здесь. Если не решить накопившиеся проблемы, через поколение это станет невозможным. У меня четверо детей. Одна дочь живет в Израиле, двое делают постдоктораты в США, а четвертая в США живет и возвращаться не собирается».
За две недели до выборов, согласно данным опросов, 22% граждан Израиля предпочли бы видеть на посту президента профессора Шехтмана, однако при голосовании в Кнессете он получил всего один голос…

У вас необычное хобби – изготовление ювелирных украшений. Это увлечение имеет свою историю или просто полировка камня напоминает вам работу с кристаллами?
– В начале 1970-х я работал над постдокторатом в Дейтоне, штат Огайо, жена по вечерам училась на вторую степень, и, будучи предоставлен сам себе, я записался на курс ювелирного дела. И как-то быстро влюбился во всё это, окончил с тех пор несколько специализированных курсов и сделал много украшений – исключительно для жены, которая с радостью носит их по каждому торжественному случаю.

На церемонии вручения Нобелевской премии в Стокгольме в декабре 2011 года украшения Ципоры Шехтман, сделанные руками ее мужа, вызвали восхищение присутствующих. Среди его произведений – серьги с драгоценными камнями, браслеты, серия позолоченных подвесок в форме знаков зодиака, элегантный кулон и многое другое.

Редакция благодарит за помощь в организации интервью посольство Государства Израиль на Украине.