Ongelooflijk complexe labyrinten onthuld in de structuur van bizarre kristallen

Het blijkt dat een algoritme dat is ontworpen om het meest efficiënte pad van atoom naar atoom te vinden in een bizar type kristal, ongelooflijk ingewikkelde doolhoven oplevert. Deze techniek kan niet alleen doolhoven maken, maar ook bepaalde industriële chemische reacties helpen versnellen.

De kristallen in kwestie worden quasi-kristallen genoemd omdat, hoewel hun atomen in herhalende patronen zijn gerangschikt zoals bij een gewoon kristal, ze complexere en onvoorspelbare vormen van symmetrie vertonen. Dergelijke kristallen zijn in het laboratorium gesynthetiseerd en zijn zelfs ontstaan ​​bij de eerste ontploffing van een kernwapen in 1945, maar er is ooit slechts één natuurlijke bron gevonden: een meteoriet die in 1985 in Rusland werd ontdekt.

‘Quaskristallen hebben al deze symmetrieën die onmogelijk zouden kunnen bestaan [normal] kristallen, wat nogal fascinerend is”, zegt Felix Flicker van de Universiteit van Bristol, VK. “Het is een heel mooi gebied van de wiskunde, maar wel een gebied waar mensen de schoonheid ervan direct kunnen waarderen zonder noodzakelijkerwijs de details te kennen.”

Flicker en zijn collega’s ontwikkelden een algoritme om snel een route te creëren die elk atoom in het quasikristal slechts één keer raakt. De diagrammen van deze routes vormen prachtige labyrintachtige structuren.

Het creëren van een dergelijke route is wat in de computerwetenschap bekend staat als een NP-compleet probleem, dat exponentieel complexer wordt naarmate het aantal atomen toeneemt. Deze problemen kunnen al snel bijna onmogelijk worden om op grote schaal te berekenen, maar onderzoekers hebben ontdekt dat het probleem voor sommige quasikristallen onverwacht eenvoudig is.

“Dat was heel verrassend, omdat bekend is dat dit probleem in het algemeen hardnekkig is, en er leek geen duidelijke vereenvoudiging te zijn door deze quasi-kristallen omdat ze geen translationele symmetrie hebben”, zegt Flicker.

Flicker zegt dat de mogelijkheid om een ​​dergelijke route te ontwikkelen praktische toepassingen zou kunnen hebben in een laboratoriummethode die bekend staat als scanning tunneling microscopie, waarbij een ultrascherpe punt over een materiaal wordt gericht om atomen één voor één te detecteren en een beeld op atomair niveau op te bouwen. Het maken van sommige complexe afbeeldingen, zoals de quasi-kristallen zelf, kan wel een maand duren; maar als er een efficiënter pad gevonden zou kunnen worden om elk atoom te geleiden, dan zou dat gehalveerd kunnen worden, zegt Flicker.

Hij gelooft ook dat het kan worden gebruikt om kristallijne katalysatoren te creëren voor industriële chemische processen die efficiënter zijn dan de huidige methoden, waardoor de kosten van het maken van bepaalde verbindingen worden versneld of verlaagd. Maar Flicker denkt dat in de loop van de tijd andere toepassingen duidelijk zullen worden: “We hopen dat de meest interessante toepassingen dingen zijn waar we nog niet aan hebben gedacht.”