Decennia lang werden quasikristallen afgedaan als een wiskundige curiositeit – structuren die zo bizar waren dat ze onmogelijk in de natuur konden bestaan. Tegenwoordig duiken deze ‘onmogelijke’ materialen op de meest onverwachte plaatsen op, van testlocaties voor atoombommen tot meteorieten, waardoor ons begrip van hoe materie zich vormt en evolueert op de proef wordt gesteld. Het verhaal van hun ontdekking gaat niet alleen over een wetenschappelijke doorbraak; het herinnert ons eraan dat het universum vaak niet in keurige categorieën kan worden ingedeeld.
De lang gekoesterde onmogelijkheid
Kristallen, de bouwstenen van onze materiële wereld, hebben altijd strikte symmetrieregels gevolgd. Eeuwenlang geloofden wetenschappers dat er slechts 230 verschillende kristalstructuren mogelijk waren, elk gebaseerd op zich herhalende atomaire patronen. Dit raamwerk sloot structuren uit met ‘verboden symmetrieën’, zoals een vijfvoudige of zevenvoudige rotatievolgorde, omdat ze niet in elkaar konden passen zonder gaten of overlappingen.
Het idee dat dergelijke structuren zouden kunnen bestaan, werd voor het eerst voorgesteld in 1983 door natuurkundige Paul Steinhardt en zijn leerling Dov Levine. Hun theorie suggereerde dat quasi-kristallen vaste stoffen konden vormen met niet-herhalende atomaire patronen, waardoor een soort ‘disharmonie in de ruimte’ ontstond. Dit stuitte aanvankelijk op scepsis, maar in 1984 bewees materiaalwetenschapper Daniel Schechtman dat ze gelijk hadden door een in het laboratorium gekweekte legering met een vijfvoudige symmetrie te synthetiseren. De Nobelprijs volgde in 2011, hoewel velen quasi-kristallen nog steeds zagen als onstabiele afwijkingen die beperkt waren tot gecontroleerde omgevingen.
Beyond the Lab: quasikristallen in het wild
Steinhardt was niet tevreden. Hij geloofde dat als quasi-kristallen zich onder laboratoriumomstandigheden konden vormen, ze ook op natuurlijke wijze moesten bestaan. Samen met geoloog Luca Bindi gingen ze op zoek naar deze materialen in de echte wereld. Een van hun eerste ontdekkingen kwam van een meteoriet genaamd Khatyrkite, gevonden in een afgelegen gebied van Siberië. Deze meteoriet bevatte het eerste natuurlijke quasi-kristal dat ooit werd geïdentificeerd, wat bewees dat deze structuren zich buiten het laboratorium konden vormen.
Het team bleef de grenzen verleggen en extreme omgevingen verkennen waar quasikristallen zouden kunnen overleven. Eén belangrijk inzicht was dat gebeurtenissen met hoge energie, zoals inslagen of explosies van asteroïden, de omstandigheden zouden kunnen creëren die nodig zijn voor hun vorming. Dit leidde hen naar een onwaarschijnlijke bron: de overblijfselen van de eerste atoombomtest, bekend als ‘trinitite’. Monsters verzameld op de Trinity-locatie bevatten niet alleen glas, maar ook het eerste door de mens gemaakte quasi-kristal, gevormd door de intense hitte en schokgolven van de explosie.
De onverwachte stabiliteit van quasikristallen
Jarenlang werd aangenomen dat quasi-kristallen inherent onstabiel waren en voorbestemd waren om in de loop van de tijd uiteen te vallen in conventionele kristalstructuren. Recent onderzoek daagt dit idee echter uit. Met behulp van nieuwe modelleringstechnieken hebben wetenschappers aangetoond dat sommige quasikristallen echt stabiel kunnen zijn en miljarden jaren kunnen overleven. Deze stabiliteit, gecombineerd met hun unieke atomaire structuur, maakt hen waardevolle getuigen van de gewelddadige gebeurtenissen waardoor ze ontstaan.
Een nieuw venster op de kosmische geschiedenis
De ontdekking van quasikristallen heeft implicaties die veel verder gaan dan de materiaalwetenschap. Ze zouden kunnen dienen als markers van kosmische inslagen tijdens de planeetvorming, en aanwijzingen kunnen bieden over de vroege geschiedenis van het zonnestelsel. Onderzoekers onderzoeken nu monsters van meteorieten en zelfs de Apollo-missies, in de hoop bewijs te vinden van quasi-kristallen die meer zouden kunnen onthullen over de omstandigheden op oude hemellichamen.
De zoektocht gaat door, waarbij wetenschappers micrometeorieten, vulkanisch glas en zelfs monsters uit Antarctica doorzoeken, waar ruimtestof zich ophoopt in ijs. Het uiteindelijke doel is niet alleen om meer quasi-kristallen te vinden, maar ook om te begrijpen hoe ze ontstaan, wat ze ons kunnen vertellen over het universum, en waarom deze ‘onmogelijke’ structuren verrassend vaak voorkomen.
De voortdurende ontdekkingen suggereren dat quasi-kristallen niet alleen een wetenschappelijke curiositeit zijn, maar een fundamenteel onderdeel van de natuurlijke wereld, die erop wachten om op de meest onverwachte plaatsen gevonden te worden.
