Quasicristallien – Miten näitä eksoottisen kauniita materiaaleja käytetään modernissa teknologiossa?

Tietoisimme kaikki perinteisistä kiteisistä rakenteista, joissa atomit järjestyvät säännöllisiksi kuvioiksi. Mutta mitä tapahtuu, kun luonto päättää leikkiä tavallisilla sääntöillä ja luo jotain aivan uutta ja ihmeellistä? Täällä astuu esiin quasicristalli – materiaali, joka on kuin tieteiskirjallisuuden hahmo. Se ei ole täysin satunnainen, mutta ei myöskään täysin järjestetty. Sen atomien sijainti muodostaa kompleksisen, toistuvan kuvioinnon, joka rikkoi aiemmat kristallografian lait ja pakotti tiedemiehet uudelleen ajattelemaan materiaalien rakennetta.

Quasicristalleja löydettiin ensimmäisen kerran vuonna 1982, kun Israelin tiedemies Dan Shechtman tutki aluminiumiseoksen röntgendiffraktion kuvioita. Hän huomasi oudon ja odottamattoman symmetrian – viisikulmaisen kuvioinnin. Aiemmin uskottiin, että vain kolmiomaiset, nelikulmaiset tai kuusikulmaiset symmetriat olivat mahdollisia kiteellisessä rakenteessa.

Shechtmannin löytö herätti ensin epäilystä ja jopa vastustusta tiedeyhteisössä. Monet tutkijat pitivät hänen havaintojaan virheenä tai artefaktin tuloksena. Vasta vuosien mittaan, kun muita tutkijoita onnistui toistaa Shechtmannin tulokset ja selvittää quasicristallien rakenteen täsmällisemmin, alettiin ymmärtää materiaalin ainutlaatuisuutta ja potentiaalia.

Mihin quasicristalleja käytetään?

Quasicristalleilla on useita ainutlaatuisia ominaisuuksia, jotka tekevät niistä houkuttelevia monille teollisuusaloille:

• Korkea kovuus ja kulumisvastus: Quasicristallien atomien tiiviimpää pakkautumista edustava kompleksinen rakenne johtaa korkeampaan mekaaniseen lujuuteen verrattuna tavallisiin metalleihin. Tämä tekee niistä erinomaisia materiaaleja esimerkiksi leikkaustyökaluissa, kestäviin pinnoitteisiin ja moottorien komponentteihin.

• Matalat kitkaominaisuudet: Quasicristallin pinta on suhteellisen sileä ja tasaisin atomiryhmistymisten ansiosta. Tämä ominaisuus vähentää kitkaa liikkuvissa osissa, mikä voi parantaa koneiden tehokkuutta ja käyttöikää.

• Hyvä lämmönjohtavuus: Joissakin quasicristalleissa on erittäin hyvä lämmönjohtavuus. Tätä ominaisuutta voidaan hyödyntää elektroniikassa lämpöhännän hallinnassa ja tehokkaamman lämmön hajaannuksen toteuttamiseksi.

• Erinomaiset katalyyttiset ominaisuudet: Quasicristallin pinnalla on ainutlaatuisia geometrisia rakenteita, jotka voivat toimia katalyytteinä kemiallisissa reaktioissa.

Kuinka quasicristalleja valmistetaan?

Quasicristallien valmistus on monimutkaista ja vaatii tarkkaa kontrollia prosessin aikana. Yksi yleisimpiä menetelmiä on nopean jähmettymisen tekniikka (rapid solidification). Tässä menetelmässä materiaali kuumennetaan ensin erittäin korkeaan lämpötilaan ja sitten jäähdytetään nopeasti, jolloin atomeilla ei ole aikaa järjestäytyä tavanomaiseen kiteiseen rakenteeseen. Tuloksena syntyy quasicristalli, jolla on ainutlaatuinen atomien järjestely.

Quasicristallien tulevaisuus:

Vaikka quasicristalleja tutkitaan vasta suhteellisen vähän aikaa, niillä on suuri potentiaali monilla aloilla. Tieteilijät ja insinöörit etsivät jatkuvasti uusia sovelluksia näille hämmästyttäville materiaaleille, jotka rikkovat perinteisiä rajoja ja avaavat ovia täysin uusien teknologioiden kehittämiseen.

Tässä taulukossa esitetään joitakin quasicristallien potentiaalisia sovelluksia:

Sovellusala	Quasicristallin ominaisuus	Esimerkki
Lääketiede	Biokompatibiliteetti	Implantasiomateriaalit ja proteesit
Elektroniikka	Korkea lämmönjohtavuus	Jähdytysjärjestelmät elektronisissa laitteissa
Energiateollisuus	Kestävyys ja korroosionvastus	Aurinkokennot ja polttoaine solut
Autoteollisuus	Alhainen kitka	Moottorin osat ja vaihteistot

Quasicristallien tutkiminen on vasta alussa, mutta niiden ainutlaatuisten ominaisuuksien ansiosta ne voivat muuttaa tulevaisuutta monilla eri aloilla.