Но что по-настоящему заставило нас раскрыть от удивления рты, так это то, что узор состоял из полос, образующих рисунок с симметрией десятого порядка, представленный на следующей странице. Я не отрываясь смотрел на монитор. Десятилучевая симметрия линий Кикучи была невозможна для обычных кристаллов. Ее обнаружение было для нас первым указанием, что образец действительно может быть природным квазикристаллом.
Я почувствовал, как выпрямляюсь на стуле. Это утро могло оказаться поистине потрясающим!
Линии Кикучи позволяют направить электронный пучок так, чтобы он шел почти в точности вдоль оси симметрии атомной структуры. Нань принялся возиться с элементами управления, чтобы переориентировать образец и переключиться в режим дифракции.
Как только он нажал на переключатель, на экране появилось изображение, совершенно меня поразившее. Я увидел созвездие четких дифракционных точек, которые располагались в форме снежинки, состоящей из пятиугольников и десятиугольников, – идеальный узор для икосаэдрического квазикристалла. Я почувствовал, как мое лицо расплывается в улыбке. Я буквально не верил своим глазам. Это была электронная дифракционная картина, гораздо более совершенная, чем та, которую Шехтман получил в 1982 году. Но у него образец был синтетическим, а здесь – природным. Я с благоговением рассматривал изображение на экране.
Мы с Нанем не кричали “Эврика!”, не хлопали в ладоши, не поздравляли друг друга. Мы сидели в полной тишине, потому что в словах не было необходимости. Мы оба понимали, что стали свидетелями “невозможности второго рода”. Это было первое открытие природного квазикристалла.
Большинство ученых работают всю жизнь в надежде поймать такой момент. Сидя вместе и поеживаясь от холода в еще не прогревшейся лаборатории, мы с Нанем прекрасно осознавали, как нам повезло. Это был момент тихого ошеломления.
Прошло почти двадцать пять лет с тех пор, как я впервые начал свои неформальные поиски природного квазикристалла в коллекциях минералов музеев естествознания. Десять – с тех пор, как мы с Нанем, Питером и Кеном начали систематический поиск по всемирной базе данных минералов. Многие считали этот трудоемкий проект безнадежным и, возможно, даже немного дурацким. Как скептики и предсказывали, мы так и не получили ни одного обнадеживающего результата. Фактически мы даже близко к нему не подошли.
И все же этот безуспешный поиск привел меня к Луке Бинди и давно забытому образцу в хранилище его музея. И теперь ни одно из этих десятилетий неудач ничего не значило. Все изменилось благодаря изображению, что я видел на мониторе. На следующей странице представлена сильно переэкспонированная версия первой дифракционной картины, которую мы увидели тем утром.
Все еще любуясь изображением, мы с Нанем наконец начали обмениваться репликами. Наш разговор был очень деловым – мы спокойно обсуждали дальнейшие шаги.
Первым делом требовалось разместить образец на держателе, позволяющем наклонять его под точно заданными углами, чтобы пронаблюдать различные узоры в разных направлениях. Этот тест должен был иметь решающее значение и показать, что образец обладает всеми симметриями икосаэдра.
По словам Наня, это можно было сделать, только впустив воздух в вакуумную камеру, где находился образец, и затем переустановив держатель – сложная операция, требовавшая времени. Хотя официально оборудование было зарезервировано другими людьми, масштаб нашего открытия побудил Наня попытаться урвать на неделе время для этой проверки. А пока что нам обоим пора было идти домой.
Морозные улицы Принстона все еще были темными и пустынными, когда я покинул лабораторию. Но я уже не обращал внимания на холод. Я ехал домой в некой грезе наяву, снова и снова мысленно воспроизводя это утро. Природный квазикристалл. Невозможно.
Вздремнув, я через несколько часов отправил Луке электронное письмо с темой “Квазисчастливого Нового года”. Мой итальянский коллега был третьим человеком в мире, который узнал об открытии природных квазикристаллов. Но Лука, вероятно, сказал бы, что он был первым. Первоначальные порошковые дифракционные тесты в его лаборатории во Флоренции дали неоднозначные результаты. Но научная интуиция Луки, которая в течение следующих нескольких лет еще не раз подтверждала свою удивительную точность, вселила в него полную уверенность в том, что материал, который он мне прислал, содержит квазикристалл.
Через несколько дней Нань, как и обещал, сумел выкроить чуть больше времени на просвечивающем электронном микроскопе. Он поворачивал образец под разными углами и получил серию дифракционных картин с симметрией прямоугольника (см. слева внизу) и шестиугольника (справа).
Углы, под которыми Наню требовалось поворачивать образец, чтобы перейти от десятилучевого узора к прямоугольному, а затем к шестиугольному, точно соответствовали предсказываемым для икосаэдра; например, угол между воображаемой линией, соединяющей центр икосаэдра с одной из его вершин, и линией, идущей от центра икосаэдра к центру одной из его треугольных граней. Это было неоспоримым доказательством того, что наше зерно обладает идеальной икосаэдрической симметрией.
Предварительный тест Луки показал, что зерна содержали алюминий, железо и медь примерно в той же пропорции, которую Ан-Пан Цай и его коллеги измерили в историческом образце, открытом ими в 1987 году, – первом достоверном примере синтетического квазикристалла с точечными дифракционными пиками. Но для полной уверенности нам нужно было провести более точное измерение.
У меня был небольшой образец синтетического квазикристалла Цая, подаренный мне на память в 1989 году. Более двадцати лет он был одним из ценнейших экспонатов в моем кабинете, но я все же отколол от него небольшую часть, чтобы Нань провел количественное сравнение синтетического образца с первым известным природным.
Соответствие оказалось почти идеальным: Al63Cu24Fe13 (63 % алюминия, 24 % меди и 13 % железа). Красиво ограненный синтетический квазикристалл Цая в форме додекаэдра и крошечные зерна в образце природного хатыркита имели в точности одинаковый состав и расположение атомов.
Эти два вещества прибыли в Принстон с противоположных концов света. Один из них был синтезирован в японской лаборатории, другой создан природой и привезен из Италии. А теперь выяснилось, что они почти в точности одинаковы. Невозможно.
Мы с Лукой при участии Яо Наня и Питера Лу подготовили статью под названием “Открытие природных квазикристаллов”, которую отправили в Science – ведущий журнал для представления новых научных результатов. Я знал, что нам придется подождать несколько месяцев, чтобы узнать, принята ли статья к публикации.
В тот момент мне следовало бы радоваться, что нам наконец-то удалось найти природный квазикристалл – достичь цели, к которой я стремился десятилетиями. Но вместо этого я ощущал странное неудовлетворение. Меня мучило чувство, что природа все еще хранит некую тайну, касающуюся этого образца хатыркита, которую еще предстоит раскрыть.
Я не мог понять, в чем конкретно причина этого ощущения, и понятия не имел, сколько пройдет времени, прежде чем я в нем разберусь. Просто было сильнейшее чувство, что приключение только начинается.
Глава 10Когда вы говорите “невозможно”
Я громко постучал в высокую дубовую дверь со стеклянной табличкой “Проф. Л. Холлистер”. Это должна была быть первая из множества моих встреч с прославленным геологом, и я понятия не имел, чего ожидать.
Я знал, что Линкольн – эксперт в петрологии, изучении происхождения и состава горных пород. Еще я знал, что он бескомпромиссный исследователь с широким кругом интересов и любимец принстонского кампуса. Но я не мог и предположить, что вскоре он станет одним из наших самых сильных критиков и поставит под сомнение обоснованность всего нашего проекта.
Линкольн сделал карьеру, бросая вызовы общепринятым представлениям и в итоге доказывая свою правоту. Когда он только начинал работать по своей специальности в 1960-х годах, все признавали, что минералы в метаморфических породах имеют однородный состав, поскольку образуются при высоких температурах и давлениях. Но Линкольн смог объяснить, почему это не так. Как один из первых геологов, получивших камни, доставленные с Луны, он показал, что некоторые минералы в лунных лавах, образовавшиеся, как считалось, на большой глубине под высоким давлением, на самом деле сформировались в быстро остывающих лавах на поверхности. Он также значительно продвинул наше понимание континентальной коры, проведя серию исследований в отдаленных регионах Британской Колумбии, Аляски и Бутана.
Успех Линкольна на протяжении всей карьеры основывался на его навыках выживания в дикой природе и жестком, деловом подходе к работе в лаборатории. Я знал, что нет лучшего эксперта, который помог бы мне выяснить, как образовался наш природный квазикристалл.
Искусственные квазикристаллы стали обычным явлением по всему миру с тех пор, как Ан-Пан Цай в 1987 году синтезировал первый идеальный образец Al63Cu24Fe13. Но Цай работал в тщательно контролируемых лабораторных условиях, начиная с правильного соотношения различных металлов и заканчивая тщательно регулируемой скоростью охлаждения их смеси. В результате его команда создала идеальные искусственные образцы, вроде того, что изображен внизу слева. Напротив, квазикристаллы, которые мы обнаружили во флорентийском образце, были сформированы природой в совершенно неконтролируемой среде и спрессованы вперемешку с другими минералами, как видно на изображении справа. Белые точки соответствуют расположению квазикристаллов, а серые и черные – других кристаллических минералов.
Элементный состав природного квазикристалла был таким же, как у синтетического, и оба они имели примерно одинаковую бездефектную структуру. Мы словно смотрели на пару близнецов, появившихся, однако, у разных родителей в далеких частях света.