Neuvěřitelně složitá bludiště objevená ve struktuře bizarních krystalů

Algoritmus navržený k nalezení nejúčinnější cesty od atomu k atomu v bizarním druhu krystalu vytváří neuvěřitelně složitá bludiště. Kromě vytváření bludišť by tato technika mohla pomoci urychlit určité průmyslové chemické reakce.

Tyto krystaly se nazývají kvazikrystaly, protože zatímco jejich atomy jsou uspořádány do opakujících se forem jako běžný krystal, vykazují složitější a nepředvídatelnější formy symetrie. Takové krystaly byly syntetizované v laboratoři a vznikly dokonce první detonací jaderné zbraně v roce 1945, ale kdy byl nalezen pouze jeden přírodní zdroj: meteorit objevený v Rusku v roce 1985.

“Kvazikrystaly mají všechny tyto symetrie, které by v nich nemohly existovat.” [normal] krystaly, což je svým způsobem fascinující věc,“ říká Felix Flicker na univerzitě v Bristolu ve Velké Británii. “Je to velmi krásná oblast matematiky, ale lidé mohou ocenit její krásu tak nějak přímo, aniž by nutně potřebovali znát podrobnosti.”

Flicker a jeho kolegové vyvinuli algoritmus pro rychlé vytvoření trasy, která se dotkne každého atomu v kvazikrystalu jednou a pouze jednou. Schémata těchto tras tvoří krásné struktury podobné bludišti.

Vytvoření takové cesty je to, co je v informatice známé jako NP-úplný problém, který se s rostoucím počtem atomů stává exponenciálně složitějším. Tyto problémy mohou být rychle prakticky nemožné vypočítat ve velkém měřítku, ale výzkumníci zjistili, že u některých kvazikrystalů je problém nečekaně jednoduchý.

“To bylo velmi překvapivé, protože je obecně známo, že tento problém je v podstatě nemožné vyřešit, a nezdálo se, že by tyto kvazikrystaly poskytovaly žádné zjevné zjednodušení, protože nemají translační symetrie,” říká Flicker.

Flicker říká, že schopnost vyvinout takovou cestu by mohla mít praktické aplikace v laboratorní metodě známé jako skenovací tunelová mikroskopie, kde je ultra ostrá špička vedena nad materiálem, aby snímala atomy jeden po druhém a vytvořila obraz na atomové úrovni. . Vytvoření některých složitých obrázků, jako jsou obrázky samotných kvazikrystalů, může trvat až měsíc; ale pokud se podaří najít účinnější cestu, která vezme v úvahu každý atom, pak by se to dalo snížit na polovinu, říká Flicker.

Věří také, že by mohl být použit k vytvoření krystalických katalyzátorů pro průmyslové chemické procesy, které jsou účinnější než současné metody, a proto urychlí nebo sníží náklady na výrobu určitých sloučenin. Flicker si ale myslí, že časem by se mohla objevit další využití: „Doufáme, že nejzajímavější aplikace jsou věci, o kterých jsme nepřemýšleli.“