Τα Δέκα Άρθρα του PRL

Ενόσω βρισκόταν σε εκπαιδευτική άδεια στο Εθνικό Γραφείο Μέτρων και Σταθμών (NBS) τον Απρίλιο του 1982, ο Dan Schechtman ανακάλυψε κάτι το εκπληκτικό. Συγκεκριμένα, διαπίστωσε ότι κάποια ταχέως ψυχόμενα κράματα αλουμινίου και μαγγανίου παρήγαγαν σχήματα περίθλασης ηλεκτρονίων όπως ακριβώς στους κρυστάλλους, μόνο που τα σχήματα έδειχναν ότι το κράμα διέθετε μια ασυνήθιστη περιστροφική συμμετρία. Μάλιστα, η συμμετρία αυτή δεν ήταν συμβατή με τη μεταθετική συμμετρία που ουσιαστικά καθόριζε έναν κρύσταλλο. Ο Schechtman είχε ανακαλύψει κατά τύχην έναν ημικρύσταλλο.

Σε κανονικούς κρυστάλλους, τα άτομα βρίσκονται σε τρισδιάστατα πλέγματα από κυψελλίδες. Κάθε κυψελλίδα περιβάλλεται από μια πανομοιότυπη διάταξη άλλων κυψελλίδων. Σε έναν ημικρύσταλλο, οι τοπικές διατάξεις των ατόμων είναι σταθερές, αλλά κάθε κυψελλίδα έχει γύρω της μια διαφορετική διαμόρφωση κυψελλίδων. Παρ' ότι οι δομές εμφανίζουν εντυπωσιακή ομοιότητα με τις ημιπεριοδικές επιστρώσεις που επινόησε ο μαθηματικός Roger Penrose (και τις οποίες είχε εκλαϊκεύσει ο Martin Gardner στη στήλη των μαθηματικών παιγνίων του περιοδικού Scientific American το 1977), ελάχιστα στο πεδίο της κρυσταλλογραφίας προμήνυαν την επερχόμενη πειραματική επανάσταση. Ο ίδιος ο Schechtman δεν αναγνώρισε αμέσως την ημιπεριοδική δομή στο δείγμα του, ενώ το σχήμα της περίθλασης του προκάλεσε αρχικά απορία και σύγχυση. «Γνώριζα ότι το σχήμα της περίθλασης δεν οφειλόταν σε διδύμους (που προκύπτουν από μια συνήθη κρυσταλλική ατέλεια)», θυμάται ο Schechtman στο γραφείο του, στο Πανεπιστήμιο Technion στο Ισραήλ, «αλλά δεν είχα καμία εξήγηση για το τι πραγματικά συνέβαινε».

Οι ημικρύσταλλοι έμελλε να προκαλέσουν ένα παλιρροϊκό κύμα δραστηριότητας στην κρυσταλλογραφία, τα μαθηματικά, τη φυσική, τη χημεία, και την επιστήμη των υλικών. Ωστόσο, αρχικά, η ανακάλυψη του Schechtman αντιμετωπίστηκε με σκεπτικισμό. «Επί δύο χρόνια κανείς δεν πίστευε τα αποτελέσματά μου και αισθανόμουν σαν αντικείμενο χλεύης», λέει ο Schechtman. «Το σκάνδαλο του πολυ-νερού ήταν ακόμη στο προσκήνιο και φοβόμουν για την επιστημονική και ακαδημαϊκή σταδιοδρομία μου».

Ευτυχώς, ένας από τους συναδέλφους του στο Technion φάνηκε πρόθυμος να αποδεχτεί τα πειραματικά δεδομένα του Schechtman. «Το 1984», λέει ο Schechtman, «ο Ilan Blech πρότεινε το μοντέλο, που έγινε αργότερα γνωστό ως το Εικοσαεδρικό Μοντέλο του Γυαλιού». Οι δύο ερευνητές έγραψαν από κοινού μια εργασία που περιλάμβανε το μοντέλο και τα πειραματικά αποτελέσματα, και το καλοκαίρι του 1984 την υπέβαλαν στο περιοδικό Journal of Applied Physics. "Το JAP την απέρριψε με το σκεπτικό ότι δεν απευθυνόταν στο ανάλογο αναγνωστικό κοινό και πρότεινε να τη στείλω σε κάποιο περιοδικό περί μεταλλουργίας». Οι Schechtman και Blech αποδέχτηκαν την πρόταση των εκδοτών του JAP και έστειλαν την εργασία στο περιοδικό Metallurgical Transactions όπου και έγινε δεκτή αλλά παρέμεινε αδημοσίευτη επί σχεδόν ένα έτος.

Τελικά, ο Schechtman έδειξε την εργασία στον John Cahn, παλαιό οικοδεσπότη του στο Εθνικό Γραφείο Μέτρων και Σταθμών (σήμερα Εθνικό Ινστιτούτο Μέτρων, Σταθμών και Τεχνολογίας, NIST) και εξέχοντα ερευνητή στην επιστήμη των υλικών. Ο Cahn πρότεινε μια αναδιαμόρφωση της εργασίας, αφήνοντας στην άκρη λεπτομέρειες σχετικά με το μοντέλο και το πείραμα και περιορίζοντάς την αποκλειστικά στα πειραματικά ευρήματα. Ακολουθώντας τις συμβουλές του Denis Gratias, ειδικού στη μαθηματική κρυσταλλογραφία στο Εθνικό Κέντρο Επιστημονικών Ερευνών (CNRS) της Γαλλίας, η ομάδα υπέβαλε τον Οκτώβριο του 1984 στο περιοδικό Physical Review Letters μια περικομμένη εκδοχή της εργασίας. Στο μεταξύ είχαν παρέλθει περισσότερα από δύο χρόνια από το αρχικό πείραμα του Schechtman. Η εργασία δημοσιεύτηκε μετά από μερικές εβδομάδες.

«Αυτή τη φορά η ανταπόκριση στο άρθρο υπήρξε σχεδόν άμεση», λέει ο Schechtman. «Επιστήμονες απ' όλον τον κόσμο μου τηλεφωνούσαν για πολλές ημέρες μετά τη δημοσίευση στο PRL προκειμένου να μου πουν: "Το κάναμε και είδαμε ό,τι είδες κι εσύ"». Η συζήτηση γύρω από το άρθρο του Schechtman κυριάρχησε σε ένα διεθνές συνέδριο σχετικά με τη μαθηματική κρυσταλλογραφία, το οποίο διεξήχθη λίγους μήνες μετά τη δημοσίευση της εργασίας, και το 1986 πραγματοποιούνταν ήδη τα πρώτα διεθνή συνέδρια αφιερωμένα στους ημικρυστάλλους. «Η ανακάλυψη προκάλεσε έναν ενθουσιασμό σε νεαρούς επιστήμονες που αναζητούσαν κάποια πρόκληση», λέει ο Schechtman, «και η επιστήμη των ημικρυστάλλων είναι πρόκληση».

Το γεγονός ότι τόσο πολλοί ερευνητές κατόρθωσαν τόσο γρήγορα να αναπαραγάγουν το έργο του Schechtman προκαλεί απορία. Πώς οι ημικρύσταλλοι είχαν καταφέρει να διαφύγουν της προσοχής της κοινότητας των κρυσταλλογράφων για τόσο μεγάλο χρονικό διάστημα; «Αυτό είναι ένα ερώτημα στο οποίο προσπάθησα πολλές φορές να απαντήσω», λέει ο Schechtman. Εκτός από τις ζωτικής σημασίας παρατηρήσεις που δέχθηκε από τους συνεργάτες του, ο Schechtman συμφωνούσε ότι από την ανακάλυψή του έλειπαν ακόμη αρκετές κρίσιμες συνιστώσες. Πρώτον, ήταν απαραίτητη η δημιουργία ασυνήθιστων, και όχι απλά χρήσιμων, ταχέως ψυχόμενων κραμάτων. Ύστερα, οι ερευνητές θα έπρεπε να μελετήσουν τα κράματα αυτά με τη βοήθεια ενός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου TEM («και να το κάνουν εξαιρετικά καλά», προσθέτει ο Schechtman), να πραγματοποιήσουν πολυάριθμες λεπτομερείς αναλύσεις, και τελικά «να αντιμετωπίσουν τον κόσμο των απίστων, τη χλεύη, και να υπερασπιστούν τη δική σου ιδέα;» Ο Schechtman παραδέχεται ότι είναι πιθανόν παλαιότερα άλλοι ερευνητές να είχαν ανακαλύψει ημικρυστάλλους χωρίς να το συνειδητοποιήσουν. «Το να τους δεις ήταν ένα μόνο βήμα στη μακρά διαδικασία που οδήγησε στο άρθρο στο PRL».

Λίγο μετά τη συνεργασία του με τον Schechtman, ο Blech εγκατέλειψε το Technion προκειμένου να ασχοληθεί με τη μικροηλεκτρονική στη Silicon Valley. Ο Cahn είναι σήμερα ομότιμος ερευνητής στο NIST, ενώ το 1998 του απονεμήθηκε το Εθνικό Μετάλλιο Επιστημών για τη συνεισφορά του στην επιστήμη των υλικών, τη φυσική στερεάς κατάστασης, τη χημεία και τα μαθηματικά. Ο Gratias είναι σήμερα διευθυντής του Εργαστηρίου Μελετών Μικροδομών (LEM) της Γαλλίας.

Ο Schechtman παραμένει στο Technion και, αν εξαιρέσει κανείς ένα διάλειμμα πέντε ετών κατά το οποίο ασχολήθηκε με τις χημικές ιδιότητες του διαμαντιού, το σύνολο σχεδόν της υπόλοιπης ακαδημαϊκής σταδιοδρομίας του είναι αφιερωμένο στη μελέτη των ημικρυστάλλων. Η ανακάλυψη για την οποία κάποτε πίστευε ότι θα οδηγούσε σε αδιέξοδο ισοδύναμο εκείνου με το σκάνδαλο του πολυ-νερού, είχε δραματικές επιπτώσεις στη ζωή του. «Με έφερε αντιμέτωπο με διάφορα επιστημονικά πεδία, με έκανε γνωστό σε πολλούς, και με τοποθέτησε στο επίκεντρο συνεδρίων και συζητήσεων», λέει ο Schechtman. «Στα τέσσερα χρόνια που ακολούθησαν μετά τη δημοσίευση στο PRL, έδωσα εκατό διαλέξεις παγκοσμίως». Ο Schechtman έλαβε πολυάριθμα βραβεία και επαίνους για την έρευνά του στους ημικρυστάλλους, ενώ είναι υποψήφιος για ακόμα περισσότερα.

Περιέργως, έχει ένα παράπονο σχετικά με το ερευνητικό πεδίο που δημιούργησε: τη χρήση του όρου ημικρύσταλλος. «Ο όρος δεν μου αρέσει, καθώς υποδηλώνει ότι οι ημικρύσταλλοι δεν είναι κρύσταλλοι ενώ, σύμφωνα με το νέο ορισμό της Διεθνούς Ένωσης Κρυσταλλογράφων IUC, είναι. Όμως ο όρος έχει καθιερωθεί ευρέως. Προτιμώ να τους ονομάζω ημιπεριοδικά υλικά». Για την ακρίβεια, ο όρος ημικρύσταλλος δεν εμφανίζεται καν στο άρθρο που δημοσιεύτηκε στο PRL.

ΠΗΓΗ: APS News, Ιανουάριος 2003
Απόδοση στα Ελληνικά: Θεοφάνης Γραμμένος

...πίσω στον κατάλογο των άρθρων