Cristobalit a tridymit

Cristobalit a tridymit

Cristobality a tridymity jsou drobounké krystalky podobné křemenu, které se nacházejí ve vulkanických lávových proudech či v meteoritech, které dopadly na Zemi z vesmíru. Stejné krystalky se podařilo najít Spitzerovým dalekohledem v okolí mladých hvězd. Tyto krystalky se slepují dohromady a vytvářejí větší částice, které se následně shlukují v zárodky planet. Zajímavé na nich je to, že pro své vytváření protřebují specifické teplotní podmínky v podobě krátkodobého tepelného pulzu – rázových vln.

Ve skutečnosti potřebují tyto krystaly ke svému vzniku teploty vyšší než 1220 K. Ale v prachoplynných discích kolem hvězd takové velké teploty vhodné pro vznik krystalů nejsou. Ideálním prostředím pro vznik krystalků cristobalitu a tridymitu je takové, kde dochází k rychlému ohřevu na velkou teplotu a k následnému prudkému ochlazení. Proto astronomové spekulují o tom, že by tuto roli mohly sehrát rázové vlny – podobné vlny jsou známy například jako sonické rázové vlny v atmosféře za rychle letícím objektem.

Na dolních obrázcích jsou ukázky jednotlivých krystalků pořízené pomocí skenovacího elektronového mikroskopu.

Levý obrázek krystalky cristobalitu a pravý krystalky tridymitu

 

Nano krystaly

Nano krystaly

Nanotechnologie je v dnešní době asi jeden z nejrychleji se rozvíjejících oborů. Moderní věda již našla mnoho praktických aplikací pro nanotechnologické vynálezy. Převážně se jedná o speciální či na přání vyrobené materiály s konkrétními vlastnostmi a podobně. Ovšem totálním unikátem jsou některé jevy, které vznikají při výzkumu nanotechnologií samovolně při určitých kombinacích metod a při hledání nových možností. Jedním z nich jsou speciální nanokrystaly, které jsou někdy nazývány nano-flowers a to pro svoji podobnost s květinami. Podařilo se je objevit náhodně při nanotechnologickém zpracování karbidu křemíku (SiC) a jeho následného vypařování při nanotechnologickém procesu CVD (chemical vapor deposition) za použití katalyzátoru nitridu galia a v rozehřáté atmosféře argonu a metanu. Velikost těchto květinových krystalů je 1-2 mikrometry. Zatím se podařilo zjistit, že tyto nanokrystaly jsou ideálním odpuzovačem vody, protože na jejich povrchu se molekuly vody neudrží ani při minimálním náklonu krystalu, ale to je ostatně vlastnost již několika známých nanoproduktů. Zatím se o žádném uplatnění v praxi neví, ale jelikož je karbid křemíku hojně využíván v elektronice, je možné že v budoucnu tyto krystaly najdou uplatnění právě zde.

Fotky nanokrystalů jsou vytvořeny za pomocí elektronového mikroskopu a tudíž v reálu černobílé (popřípadě ve stupních šedi) - přibarveno uměle za pomocí počítače.

  

  

 

Pro detail klikni na obrázek !

Kvazikrystalická symetrie

Kvazikrystalická symetrie

Symetrie atomů

Atomy v krystalu jsou uspořádané do pravidelné opakující se struktury neboli mřížky, která má velkou míru symetrie. Symetrie zahrnují bodovou symetrii, která měří, jak souměrné jsou atomy rozmístěné kolem daného bodu v mřížce, a translační symetrii, jíž se struktura celé mřížky opakuje v pevně daných vzdálenostech v jednotlivých směrech. Toto je trojdimenzionální struktura v krystalické mřížce. Jako příklad dvojdimenzionální struktury lze uvést například nekonečné pole čtvercových dlaždic.

Ví se, že ve skutečnosti existuje celkem sedmnáct typů krystalografických matematických grup symetrií v rovině – nebo názorněji sedmnáct typů vzorů na tapety. Ve třech dimenzích je přesně třicet dva bodových grup, které zkombinované s posunutími dávají 230 různých typů krystalických symetrií. Tato klasifikace je fundamentální pro fyziku pevných látek. Ve čtyřech dimenzích je 4783 typů krystalů, výsledky pro vyšší dimenze jsou zatím teoretické a neúplné. (Nutno podotknout, že se zde hovoří o matematických rozměrech.)

Kvazikrystalická symetrie

Z klasifikace krystalů vyplývá, že žádná krystalická mřížka nemůže mít pětičetnou symetrii (jako pětiúhelník), vyskytují se jen dvou, tří, čtyř a šestičetné symetrie. Ale nedávno fyzici odhalili novou strukturu pevných látek zvanou kvazikrystal, ve které se pětičetná symetrie vyskytuje. Kvazikrystaly nemají tradiční strukturu krystalu, protože detaily lokální situace se u nich při posunutí mění. Nicméně vykazují jistý druh dalekodosahové struktury – je jen málo možných směrů, ve kterých mohou být vazby mezi atomy, a ty jsou v celém kvazikrystalu stejné. Takové vzory původně objevil R.A.Penrose jako matematickou hříčku, jak je vidět na následujícím obrázku.

Penrose vymyslel dva tvary dlaždic, šipky a draky, kterými lze pokrýt celou rovinu, bez jakékoliv periodicity. A.MacKay našel třídimenzionální verzi těchto dlaždic. Na pevné matematické základy postavili tyto myšlenky D.Levine a P. Steinhardt a v přírodě zpozoroval předpovězený kvazikrystal D.Schechtman se spolupracovníky ve slitině hliníku a manganu.

Arabští učenci a kvazikrystalická struktura

Islámská středověká kultura byla mnohem pokročilejší v matematice, než si moderní vědci doposud mysleli. Ornamenty na zdech mešit tvoří mnohoúhlé, vzájemně do sebe zapadající dlaždice, které se nikdy neopakují v úplně stejných obrazcích. Celý umělecký útvar přesto vytváří dojem zvláštního typu symetrie. A to všechno pět set let před matematickým objevením těchto moderních výpočtů západní matematikou a geometrií, jak ukazuje následující obrázek.

Vznik podobných útvarů popisuje takzvaná kvazikrystalická geometrie, kterou vysvětlil v moderní době až britský matematik Roger Penrose. Odborníci z amerických univerzit se proto domnívají, že staří umělci znali teorii kvazikrystalické geometrie a že ji využili k vytvoření zvláštních předloh, podle kterých vytvářeli obrazce na zdech mešit. Ty se skládaly z pěti na sebe navazujících víceúhelníků – desetiúhelníku, pětiúhelníku, kosočtverce, motýlku a šestiúhelníku. Tato metoda byla použita v mešitě íránského Isfahánu nebo v medrese v iráckém Bagdádu a odtud se postupně začala rozšiřovat po celé Asii.

Mechanicko-akustická kymatika

Mechanicko-akustická kymatika

• Kymatiku na vodě lze provádět i mechanickým způsobem, který je ekvivalentní kymatice za pomocí rezonátoru. Princip je stejný, akorát se použije mechanické vibrace, která je převedena na akustickou vibraci a ta zpětně působí na vodní hladinu.
• Běžně se tento postup používá s tibetskými mísami, kdy se naplní vodou a za postupného otáčení kolíkem z tvrdého dřeva okolo mísy se tato mísa rozezvučí a tento zvuk následně v podobě akustické vibrace působí na vodní hladinu, kde vytváří charakteristické kyma-vlny.
• Na dolním výřezu obrázku je tento pokus proveden s mísou ze skla, která má lepší akustické vlastnosti než mosazné a nebo bronzové mísy.

• Další obrázek ukazuje celkový náhled na mísu. Nejprve se tyto kyma-vlny objevují na okrajích mísy s přibývající intenzitou zvuku (čili síly vibrace nikoliv rychlosti) se rozprostírají směrem k prostředku mísy, což je dáno tvarem mísy a hlavně se tyto vlny šíří od směru původu vibrace – v tomto případě vibrující stěna mísy.

Pro detail klikni na obrázek !

Kyma-vlny na vodě IV

Kyma-vlny na vodě IV

• Na dolních obrázcích jsou frekvence větší než 14000 Hz. Takhle by se dalo pokračovat v podstatě do nekonečna, protože co frekvence to jiný vzor na vodní hladině. Velice efektně to vypadá i z profilu zvětšené lupou, ale zatím mě nenapadá jak to fotit. Lze vytvořit i různé rotační gejzíry a jiné efekty, které využívají vzlínavosti vody v závislosti na vstupní frekvenci. Později se budu zabývat kombinací několika frekvencí a jak se projevuje na vodní hladině.

Zajímavá “housenka”

• Většina tvarů je otázkou velmi přesného nastavení vstupní frekvence, která musí být ve správném poměru k rezonančnímu kmitu křemíkové podložky. Při prvních pokusech jsem si myslel, že jde pouze o mechanickou vibraci, což je pravda u jednoduchých tvarů, ale při podronějším zkoumání jsem zjistil, že mechanická vibrace v kymatice hraje celkem zanedbatelnou roli a to zejména u složitějších obrazců – zde už se uplatňujě nějaký jev, který souvisí se strukturou křemíkových krystalů. (zřejmě piezoelektrický jev – ale ne samozřejmě pouze tento jev, protože kymatiku lze provádět i na různých materiálech, které s tímto jevem nemají nic společného)

Opět jiná frekvence

Detail předchozího