Сучасний етап розвитку матеріалознавства характеризується появою нових класів металевих сплавів, які мають комплекс привабливих властивостей. У цьому аспекті практичний інтерес викликає використання металевих сплавів із нетрадиційною квазікристалічною структурою - новим станом закристалізованої речовини, яка має досить цікаве поєднання фізичних властивостей і займає проміжне положення між аморфними й кристалічними матеріалами.
Відкриття квазікристалів, зроблене в 1984 р. фізиком Даном Шехтманом (D. Shechtman), відноситься до революційних відкриттів, які зачіпають фундамент науки та спростовують деякі усталені наукові теорії та погляди в сучасному матеріалзнавстві, зокрема, в кристалографії. Теорія квазікристалів, як ни дивно, була розроблена задовго до їх відкриття: «квазікристалічні» орнаменти відомі в середньовічних мечетях Ірану. Як раз ці «квазікристалічні» орнаменти, структуру яких неможна отримати нескінченним додаванням один до одного однакових елементів, наштовхнули Д. Шехтмана на думку про квазікристали. У 2011 р. Д. Шехтману була присуджена Нобелевська премія по хімії за відкриття квазікристалів.
До відкриття квазікристалів за канонами традиційної кристалографії п'ятірні оси симетрії та осі порядку вище шостого були категорично заборонені для кристалів. Квазікристалічний сплав Al0,86Mn0,14, відкритий Шехтманом та його колегами Гратіасом (D. Gratias) і Каном (J. Cahn), утворюється при надшвидкому охолодженні розплаву зі швидкістю 1 млн. градусів в секунду. Отримана картина дифракції мала типові для кристалів чіткі плями, що відображає так званий дальній атомний порядок. Проте положення рефлексів було незвичним і вказувало на симетрію 5-го порядку, неможливу в тривимірній періодичної решітці. Відкрита вперше Д. Шехтманом і колегами квазікристалічна фаза з віссю симетрії 5-го порядку була названа ікосаедричною (і-фаза), або пентагональною.
Рисунок 1. Дифракційна картина від квазікристалічного сплаву з симетрією 5-го порядку
Ікосаедр — це багатогранник з 12-ю гранями, кожна з яких представляє собою рівносторонній трикутник, з 12-ю вершинами та 30-ма ребрами. Ікосаедр має п'ятнадцять обертових осей симетрії 2-го порядку, десять осей симетрії 3-го порядку і шість осей симетрії 5-го порядку. Натепер відомі сотні типів квазікристалів, що мають точкову симетрію ікосаэдра, а також 10-ти, 8-ми і 12-ти кутника.
Рисунок 2. Об’ємна структура квазікристалічної фази з віссю симетрії 5-го порядку
Поняття квазікристала представляє фундаментальний інтерес, тому що воно узагальнює і завершує визначення кристала. Теорія, заснована на цьому понятті, заміняє одвічну ідею о «структурної одиниці, що повторюється у простору строго періодично» ключовим поняттям дальнього порядку. Це поняття призвело до розширення кристалографії, заново відкриті багатства якої ми тільки починаємо вивчати. Його значення в світі мінералів можна поставити в один ряд з додаванням поняття ірраціональних чисел до раціональних в математиці.
Модель квазікристала може бути створена на основі мозаїки Пенроуза з двома «елементарними комірками» - ромби двох типів, один - з кутом 72°, другий з кутом 36°, з'єднаними між собою за певними правилами стикування. Картина виходить симетричною, але не періодичною.
Рисунок 3. Модель квазікристалу на основі мозаїки Пенроуза
Поняття квазікристалу представляє фундаментальний інтерес, тому що воно узагальнює і завершує визначення кристалу. Теорія, заснована на цьому понятті, замінює одвічну ідею про «структурну одиницю, що повторюється у простору строго періодично» ключовим поняттям дальнього порядку. Це поняття призвело до розширення кристалографії, заново відкриті багатства якої ми тільки починаємо вивчати. Його значення в світі мінералів можна поставити в один ряд з додаванням поняття ірраціональних чисел до раціональних в математиці.
На теперішній час відома велика кількість (більше 100) сплавів, в яких виявлені квазікристалічні фази. Перші квазікристали були одержані в сплавах на основі Al, потім – на основі Fe, Ti, Au, Pd, Cr, Zn, Ga, Pb.
Рисунок 4. Приклади квазікисталів
Завдяки своїй нетрадиційній кристалічній будові, квазікристали демонструють незвичайну та унікальну комбінацію фізичних, хімічних і механічних властивостей. За рахунок цього зростає інтерес дослідників до квазікристалів щодо їх наукового і технічного застосування. Схожі одночасно і на метали, і на кераміку, з одного боку, вони надзвичайно тверді - твердіше найтвердіших легованих сталей, майже як алмаз. А з іншого боку - у них дуже низький коефіцієнт тертя, трохи більше, ніж у надслизького фторопласту, та набагато менше, ніж у будь-якого металу. Хімічна стійкість їх також дуже висока - майже як у кераміки. Важливим є те, що внаслідок уповільнення дифузійних процесів в квазікристалах високий рівень міцності сплавів може зберігатися в умовах підвищених температур. У квазікристалів надзвичайно високий електричний опір при низьких температурах і спостерігається його падіння при підвищенні температури. "Традиційні" металеві сплави поводять себе прямо протилежним чином.
Квазікристалічні матеріали на основі алюмінію вважаються найбільш перспективною групою алюмінієвих сплавів для застосування в авіації та автобудівництві на заміну дорогих порошкових інтерметалідних сплавів типу FVS (США). Їх можна використовувати для створення покриттів різного призначення. Квазікристалічні наночастинки можна додавати в сплави для ефективного зберігання водню, для зміцнення металів.
Довгий час вважалося, що квазікристали можна створювати лише штучним шляхом. Природні Fe-Cu-Al-квазікристали було знайдено в рідкісному мінералі хатиркіт на Далекому Сході Росії у фрагментах порід, зібраних на Корякському нагір'ї, у 1979 р. Проте тільки у 2009 вчені з Прінстону встановили цей факт. У 2011 р. вийшла стаття про позаземне походження даного квазікристалу. В літку 2011 р. в ході експедиції в Росії мінералоги знайшли нові зразки природних квазікристалів.