งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในทางกายภาพจดหมายรีวิว

Fernando Guevara Vasquez รองศาสตราจารย์ด้านคณิตศาสตร์กล่าวว่า "Quasicrystals น่าสนใจในการศึกษาเพราะมีคุณสมบัติที่คริสตัลไม่มี "พวกมันได้รับการพิสูจน์แล้วว่าแข็งกว่าวัสดุที่มีระยะหรือผิดปกติที่คล้ายกัน พวกเขายังสามารถนำไฟฟ้าหรือกระจายคลื่นในลักษณะที่แตกต่างจากคริสตัล"

แบบไม่มีลาย

รูปภาพกระดานหมากรุก คุณสามารถนำกระเบื้องสีดำสองแผ่นสองต่อสองและแผ่นกระเบื้องสีขาว (หรือสีแดง) สองแผ่นแล้วคัดลอกและวางเพื่อให้ได้กระดานหมากรุกทั้งหมด ดังกล่าว "ธาตุ" โครงสร้างที่มีรูปแบบที่ทำซ้ำตามธรรมชาติเกิดขึ้นในผลึก ยกตัวอย่างเม็ดเกลือ ในระดับอะตอม จะเป็นโครงตาข่ายคล้ายกริดของอะตอมโซเดียมและคลอไรด์ คุณสามารถคัดลอกและวางตาข่ายจากส่วนหนึ่งของคริสตัลและค้นหาการจับคู่ในส่วนอื่น ๆ

แต่โครงสร้างกึ่งช่วงเวลากำลังหลอกลวง ตัวอย่างหนึ่งคือรูปแบบที่เรียกว่าการปูกระเบื้องเพนโรส เมื่อมองแวบแรก กระเบื้องรูปเพชรทรงเรขาคณิตดูเหมือนจะอยู่ในรูปแบบปกติ แต่คุณไม่สามารถคัดลอกและวางรูปแบบนี้ มันจะไม่ทำซ้ำ

การค้นพบโครงสร้างกึ่งช่วงเวลาในโลหะผสมบางชนิดโดยนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ Dan Schechtman ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2554 และเปิดการศึกษาเกี่ยวกับผลึกควอซิก

ตั้งแต่ปี 2012 Guevara และ Bart Raeymaekers รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกล ได้ร่วมมือกันออกแบบวัสดุด้วยโครงสร้างที่ออกแบบเองที่ไมโครสเกล ตอนแรกพวกเขาไม่ต้องการสร้างวัสดุกึ่งคาบ อันที่จริง การทดลองเชิงทฤษฎีครั้งแรกของพวกเขา นำโดยนักศึกษาปริญญาเอกคณิตศาสตร์ China Mauck มุ่งเน้นไปที่วัสดุเป็นระยะๆ และรูปแบบของอนุภาคที่อาจทำได้โดยใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ ในแต่ละระนาบมิติ พวกเขาพบว่าทรานสดิวเซอร์อัลตราซาวนด์คู่ขนานสองคู่เพียงพอที่จะจัดเรียงอนุภาคในโครงสร้างเป็นระยะ

แต่จะเกิดอะไรขึ้นถ้าพวกเขามีทรานสดิวเซอร์อีกหนึ่งคู่? เพื่อหาคำตอบ Raeymaekers และนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Milo Prisbrey (ปัจจุบันอยู่ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Los Alamos) ได้จัดหาเครื่องมือทดลอง และศาสตราจารย์คณิตศาสตร์ Elena Cherkaev ให้ประสบการณ์กับทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ของผลึกควอซิกคริสตัล Guevara และ Mauck ทำการคำนวณทางทฤษฎีเพื่อทำนายรูปแบบที่เครื่องแปลงความถี่อัลตราซาวนด์จะสร้างขึ้น

การสร้างรูปแบบกึ่งช่วงเวลา

Cherkaev กล่าวว่ารูปแบบ quasiperiodic สามารถคิดได้ว่าเป็นเทคนิค "cut-and-project" แทนที่จะเป็นวิธีการตัดและวาง

หากคุณใช้การตัดและโปรเจ็กต์เพื่อออกแบบรูปแบบ quasiperiodic บนเส้น คุณจะเริ่มด้วยตารางสี่เหลี่ยมบนระนาบ จากนั้นคุณวาดหรือตัดเส้นเพื่อให้ผ่านโหนดกริดเพียงโหนดเดียว ซึ่งสามารถทำได้โดยการวาดเส้นในมุมอตรรกยะ โดยใช้จำนวนอตรรกยะ เช่น พาย ซึ่งเป็นอนุกรมจำนวนอนันต์ที่ไม่มีวันซ้ำกัน จากนั้นคุณสามารถฉายโหนดกริดที่ใกล้ที่สุดบนเส้น และมั่นใจได้ว่ารูปแบบของระยะห่างระหว่างจุดบนเส้นจะไม่ซ้ำกัน พวกมันเป็นระยะกึ่ง

วิธีการนี้คล้ายกันในระนาบสองมิติ "เราเริ่มต้นด้วยตารางหรือฟังก์ชันเป็นระยะในพื้นที่มิติที่สูงกว่า" Cherkaev กล่าว "เราตัดระนาบผ่านพื้นที่นี้และทำตามขั้นตอนที่คล้ายกันในการ จำกัด ฟังก์ชันเป็นระยะเป็นชิ้น 2 มิติที่ไม่ลงตัว" เมื่อใช้ทรานสดิวเซอร์อัลตราซาวนด์ เช่นเดียวกับในการศึกษานี้ ทรานสดิวเซอร์จะสร้างสัญญาณเป็นระยะในพื้นที่มิติที่สูงกว่านั้น

นักวิจัยได้ติดตั้งทรานสดิวเซอร์อัลตราซาวนด์สี่คู่ในการจัดเรียงป้ายหยุดแปดเหลี่ยม "เรารู้ว่านี่จะเป็นการตั้งค่าที่ง่ายที่สุดที่เราสามารถสาธิตการจัดเรียงอนุภาคกึ่งช่วงเวลาได้" เกวารากล่าว "เรายังมีการควบคุมอย่างจำกัดว่าจะใช้สัญญาณใดในการขับเคลื่อนทรานสดิวเซอร์อัลตราซาวนด์ เราสามารถใช้เฉพาะสัญญาณหรือสัญญาณเชิงลบเท่านั้น"

ทีมงานได้วางอนุภาคนาโนคาร์บอนขนาดเล็กที่ลอยอยู่ในน้ำในการติดตั้งแบบแปดเหลี่ยมนี้ เมื่อเปิดทรานสดิวเซอร์ คลื่นอัลตราซาวนด์จะนำอนุภาคคาร์บอนเข้าที่ ทำให้เกิดรูปแบบกึ่งคาบคล้ายการปูกระเบื้องเพนโรส

"เมื่อทำการทดลองแล้ว เราเปรียบเทียบผลลัพธ์กับการคาดการณ์เชิงทฤษฎี และเราได้ข้อตกลงที่ดีมาก" เกวารากล่าว

วัสดุที่กำหนดเอง

ขั้นตอนต่อไปคือการสร้างวัสดุที่มีการจัดรูปแบบกึ่งช่วงเวลาจริง ๆ ไม่ใช่เรื่องยาก เกวารากล่าว ถ้าอนุภาคถูกแขวนลอยในพอลิเมอร์แทนที่จะเป็นน้ำที่สามารถบ่มหรือทำให้แข็งได้เมื่ออนุภาคอยู่ในตำแหน่ง

"สิ่งสำคัญด้วยวิธีนี้ เราสามารถสร้างวัสดุกึ่งคาบที่ทั้ง 2 มิติหรือ 3 มิติ และสามารถมีความสมมาตรเสมือนทั่วไปโดยเลือกวิธีที่เราจัดเรียงตัวแปลงสัญญาณอัลตราซาวนด์และวิธีที่เราขับเคลื่อนพวกมัน" เกวารากล่าว .

ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัดว่าวัสดุเหล่านั้นสามารถทำอะไรได้บ้าง แต่ในที่สุดแอปพลิเคชั่นหนึ่งอาจเป็นการสร้างวัสดุที่สามารถจัดการกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้เช่นเดียวกับเทคโนโลยีเซลลูล่าร์ 5G ในปัจจุบัน การใช้งานวัสดุกึ่งคาบอื่นๆ ที่เป็นที่รู้จักอยู่แล้ว ได้แก่ การเคลือบ nonstick เนื่องจากมีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำ และสารเคลือบที่ป้องกันการถ่ายเทความร้อน Cherkaev กล่าวบาคาร่า สมัครบาคาร่า