QUASI-CRISTALLI

QUASI-CRISTALLI

Lo stato cristallino è caratteristico di solidi con aggregazione altamente ordinata e compatta degli atomi, mentre nei solidi amorfi o vetrosi gli atomi, pur presenti sempre in forma aggregata e compatta, sono in distribuzione più o meno casuale e disordinata. Nel 1984 D. Schechtman e i suoi collaboratori, esaminando una lega alluminio-manganese, hanno riscontrato in essa una struttura cristallina, ma con una simmetria non ''consentita'' a un vero cristallo. A questa struttura, per alcuni aspetti cristallografici anomala, è stato dato il nome di ''quasi-cristallo'' a indicare la presenza di caratteristiche prossime a quelle di un vero cristallo. Questa nuova struttura sarebbe intermedia fra quella di un cristallo e quella di un solido amorfo, però più vicina a quella del cristallo.

I cristalli (v. XI, p. 925) sono caratterizzati da elementi di simmetria (traslazione, rotazione) determinati: i reticoli si possono ottenere per opportuna traslazione della cella elementare, dimostrando così che sono consentite solo le rotazioni 2π/2; 2π/3; 2π/4; 2π/6 (cioè C₂, C₃, C₄, C₆), ma non quelle 2π/5; 2π/7 (C₅, C₇, C₈,..). È facile rendersi conto geometricamente dell'inaccettabilità della rotazione C₅, pensando come sia possibile riempire, senza lasciare spazi vuoti, un piano con mattonelle triangolari, quadrate, rettangolari, esagonali, ma non con mattonelle di forma pentagonale regolare.

La simmetria riscontrata da Schechtman nella lega Al-Mn attraverso l'esame per diffrazione elettronica corrisponde a quella di un icosaedro, un solido di 20 facce triangolari (triangoli equilateri), che presenta assi di simmetria quinaria. Prima di pubblicare i risultati riguardanti la struttura della lega Al-Mn che asserivano la presenza di una simmetria contrastante con la definizione stessa di cristallo, Schechtman ha cercato eventuali cause di errore o accidentali, e non avendone trovate, è giunto alla conclusione di essere in presenza di un cristallo icosaedrico. La singolarità di una tale struttura ha portato diversi autori a ricercarne conferma in altre leghe. Così nel giro di pochi anni sono comparsi nelle riviste tecniche centinaia di articoli che riportavano esempi di uguali strutture in leghe di diversa composizione, ottenute in condizioni operative uguali o differenti da quelle seguite da Schechtman e collaboratori (che avevano operato un raffreddamento ultrarapido dallo stato fuso). Le ricerche per diffrazione elettronica hanno indicato la presenza di strutture con assi di simmetria quinaria, ma anche decagonale o dodecagonale (cioè C₁₀, C₁₂) in leghe oltre che binarie anche ternarie (Al-Li-Cu; Al-Mg-Zn) e quaternarie (Al-Li-Cu-Mn). Strutture icosaedriche e decagonali sono state indicate in leghe di alluminio con metalli nobili del gruppo del platino, ottenute per raffreddamento sia brusco che lento (strutture icosaedriche in leghe di alluminio con rutenio; strutture decagonali in leghe di alluminio con osmio, iridio, palladio, rodio).

Tutto ciò ha indicato che la struttura quasi-cristallina riportata da Schechtman non rappresenta un caso isolato, ma piuttosto una diversa forma dei solidi. Non sono mancati contrasti: in particolare L. Pauling non ha accettato l'irregolarità strutturale delle leghe riportate da Schechtman sostenendo che l'apparente gruppo di simmetria icosaedrica è solo un geminato multiplo di cristalli cubici. Questo dovrebbe comportare l'esistenza di unità strutturali di migliaia di atomi.

Poiché le caratteristiche dei solidi sono legate, oltre che alla natura dei componenti, anche alla loro struttura, è evidente che i q.-c. debbano presentare caratteristiche diverse dai corrispondenti prodotti cristallini. Ricerche teoriche indicano la possibilità di realizzare prodotti con interessanti proprietà meccaniche, elettriche, elettroniche, intermedie fra quelle dei cristalli e dei vetri metallici. La resistenza meccanica delle leghe quasi-cristalline dovrebbe essere elevata; l'assenza di periodicità del reticolo dovrebbe impedire la facile propagazione delle dislocazioni; facendo precipitare particelle di q.-c. in una matrice d'alluminio si dovrebbero ottenere resistenze meccaniche elevate. Non sono stati tuttavia ottenuti dati sperimentali di caratteristiche dei q.-c. a causa della difficoltà di disporre di campioni privi di difetti o di tensioni interne.

Bibl.: D. Schechtman, I. Blech, D. Gratias, J.W. Cahn, in Physical Review Letters, 1984, p. 1951; D. Gratias, in La Recherche, 178 (giugno 1986); M.V. Jarić, Quasicrystals, in Encyclopedia of physical science and technology (yearbook), San Diego 1990; L. Pauling, in The chemical bond-structure and dynamics, a cura di A. Zewail, ivi 1992.