Το φετινό Νόμπελ Χημείας δόθηκε για την ανακάλυψη μιας νέας ενδιάμεσης κατάστασης της ύλης
Τριάντα χρόνια αφότου ανακάλυψε τους «ημικρυστάλλους» ή, σύμφωνα με μια πιο συντηρητική ορολογία, τους «οιονεί κρυστάλλους» (quasicrystals), ο Νταν Σέχτμαν, αδιαμφισβήτητος πρωταγωνιστής στην έρευνα αυτών των περίπλοκων φυσικών δομών, κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Χημείας.
Πράγματι, μέχρι το 1982, τη χρονιά που αποκαλύφθηκε η ύπαρξη τέτοιων αινιγματικών κρυσταλλοειδών δομών, για την επιστήμη της στερεάς κατάστασης ένα υλικό σώμα είχε μόνο δύο δυνατότητες: μπορούσε να είναι ή να μην είναι κρύσταλλος. Ενδιάμεσες καταστάσεις όχι απλώς δεν υπήρχαν, αλλά ήταν κυριολεκτικά αδιανόητες. Σύμφωνα με τις κρυσταλλογραφικές αντιλήψεις της εποχής, ακόμη και η πιθανότητα ύπαρξης «ενδιάμεσων» ή έστω «οιονεί» κρυσταλλικών δομών στη φύση θα αποτελούσε αντινομία και αντίθεση στους όρους.....
Ημικρύσταλλοι: ψηφιδωτά μεταξύ τάξης και αταξίας
Ωστόσο, αν κάτι μας διδάσκει η ιστορία της επιστήμης, αυτό είναι ότι τα πράγματα δεν είναι ποτέ τόσο απλά όσο περιγράφονται από το κυρίαρχο εξηγητικό-μεθοδολογικό «παράδειγμα» ενός επιστημονικού κλάδου: μοιραία η φαντασία και η επινοητικότητα της φύσης ξεπερνούν τις ιδεοληπτικές αγκυλώσεις και τα «αδιάψευστα» επιστημονικά δόγματα της κάθε εποχής.
Και αυτό ακριβώς διαπίστωσε ένα πρωινό στις 8 Απριλίου του 1982 ο σαραντάχρονος τότε επισκέπτης ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins των ΗΠΑ. Κοιτάζοντας στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο ένα κράμα αλουμινίου-μαγγανίου, ο Ντ. Σέχτμαν διαπίστωσε έκπληκτος ότι αυτό που έβλεπε ήταν εντελώς ακατανόητο με βάση τις παραδεδεγμένες απόψεις της εποχής: είχε μπροστά του μια σαφώς εύτακτη κρυσταλλική δομή, η οποία ωστόσο εμφάνιζε πενταπλή συμμετρία. Αναλύοντας πολλές φορές τα σχήματα περίθλασης αυτού του κράματος, επιβεβαίωσε ότι όντως εμφάνιζε μια πενταπλή μη περιοδική συμμετρία. Με άλλα λόγια, η διάταξη των ατόμων ή των μορίων αυτού του περίεργου «κρυστάλλου» ήταν απεριοδική!
Για το μη ειδικό αναγνώστη αυτή η παρατήρηση ίσως να φαίνεται επουσιώδης ή και εντελώς αδιάφορη, για τον ειδικό όμως ήταν ένα σκάνδαλο: κατάφωρη παραβίαση όλων των παραδοχών της φυσικής της στερεάς κατάστασης, αλλά και των βασικών αρχών της κρυσταλλογραφίας.
Σύμφωνα με το, μέχρι τότε, καθολικά αποδεκτό «δόγμα», ένας κρύσταλλος μπορούσε να εμφανίζει μόνο έναν πολύ περιορισμένο αριθμό τύπων συμμετρίας, και αυτό γιατί υπάρχει ένας αυστηρά περιορισμένος αριθμός διατάξεων βάσει των οποίων τα συστατικά του στοιχεία (μόρια και άτομα) μπορούν να συνδυαστούν και να συνταιριάξουν μεταξύ τους για να σχηματίσουν ένα στερεό. Αν όμως οι κρύσταλλοι όφειλαν να έχουν μια προκαθορισμένη χημική σύσταση και μια αυστηρά επαναλαμβανόμενη χωρική διάταξη (περιοδικότητα), τότε προφανώς αυτές οι νέες εύτακτες αλλά μη περιοδικές δομές μόνο ως «οιονεί κρυσταλλικές» θα μπορούσαν να θεωρηθούν.
Οι αινιγματικές δομές που πρώτος ανακάλυψε ο Ντ. Σέχτμαν, ενώ είναι εξίσου εύτακτες με τους συνήθεις κρυστάλλους (π.χ. τα διαμάντια ή το αλάτι), παρουσιάζουν εντούτοις μια πολύ πιο περίπλοκη χωρική, δηλαδή γεωμετρική, διάταξη.
Μάλιστα, τις δύο τελευταίες δεκαετίες έχουν δημιουργηθεί εκατοντάδες νέα είδη ημικρυστάλλων στα εργαστήρια. Το 2009 μάλιστα στον ποταμό Χαρτίρκα της Ανατολικής Ρωσίας εντοπίστηκε ένας νέος τύπος ορυκτού που περιέχει φυσικά σχηματισμένους εικοσαεδρικούς ημικρυστάλλους. Το ορυκτό αυτό ονομάζεται «εικοσαεδρίτης» και αποτελείται από αλουμίνιο, χαλκό και σίδηρο.
Βλέπουμε λοιπόν ότι οι ημικρύσταλλοι δεν αποτελούν απλώς ένα εργαστηριακό τέχνημα ή, στη χειρότερη περίπτωση, ένα νοητικό κατασκεύασμα, αλλά μια πραγματικά «ενδιάμεση» κατάσταση της ύλης που, από μαθηματική άποψη, θα μπορούσε κάλλιστα να περιγραφεί ως «κάτι» μεταξύ τάξης και αταξίας. Τέτοιες εύτακτες αλλά μη περιοδικές δομές στερεών θυμίζουν πολύ έντονα τα περίτεχνα μεσαιωνικά ψηφιδωτά που θαυμάζει κανείς στα περσικά και στα αραβικά τζαμιά.
Ούτε ημι-επιστήμη ούτε ψευδο-επιστήμη
Θα ήταν αφελές να πιστεύει κανείς ότι η επικράτηση και η αποδοχή μιας νέας επιστημονικής ιδέας είναι μια αμιγώς ορθολογική διεργασία, όπου η «αλήθεια» επιβάλλεται αυτομάτως και χωρίς σθεναρές αντιστάσεις. Και αυτό ακριβώς συνέβη και με την έρευνα των ημικρυστάλλων.
Μόλις ο Νταν Σέχτμαν αποκάλυψε τις αιρετικές απόψεις του σχετικά με τη δομή των ημικρυστάλλων, εκτός από την αδιαφορία ή τη δυσπιστία των συναδέλφων του δέχτηκε και μια θύελλα απαξιωτικών κριτικών από τις μεγαλύτερες αυθεντίες του κλάδου.
Για παράδειγμα, ο δύο φορές βραβευμένος με Νόμπελ Λάινους Πάουλινγκ σχολιάζοντας τα ασυνήθιστα αποτελέσματα των ερευνών του Σέχτμαν έκρινε απαραίτητο να προβεί στην ακόλουθη καυστική δήλωση: «Δεν υπάρχουν ημικρύσταλλοι, μόνο ημι-επιστήμονες»! Μια αναμφίβολα έξυπνη ατάκα, η οποία ωστόσο είναι εντελώς εσφαλμένη και παραπλανητική: όχι μόνο υπάρχουν οι ημικρύσταλλοι, αλλά και ο Σέχτμαν αποδείχτηκε ένας πρώτης τάξεως επιστήμονας!
Η σχεδόν καθολική απαξίωση των πρώτων ερευνητικών του ανακαλύψεων από μέρους της επιστημονικής κοινότητας οδήγησε στην αποπομπή του Σέχτμαν από την ερευνητική ομάδα του Ινστιτούτου NIST (National Institute of Standards and Technology) στις ΗΠΑ, όπου εργαζόταν. Μάλιστα, αποχαιρετώντας τον ο διευθυντής του Ινστιτούτου έκρινε απαραίτητο να του χαρίσει ένα πανεπιστημιακό εγχειρίδιο Κρυσταλλογραφίας... για να μάθει τα βασικά!
Ευτυχώς, ο Σέχτμαν εκτός από ιδιοφυής ήταν και ένας ιδιαίτερα επίμονος ερευνητής. Μετά την αναγκαστική επιστροφή του στο Ισραήλ, συνεχίζει τις έρευνές του στο Πολυτεχνείο Technion, όπου και ξεκινά μια εξαιρετικά γόνιμη συνεργασία με τους Τζον Καν (John Cahn), Ντενί Γκρατιά (Denis Gratias) και Αϊλαν Μπλεχ (Ilan Blech).
Τα επόμενα χρόνια οι ημικρύσταλλοι θα βγουν από το περιθώριο και τον απαξιωτικό αποκλεισμό που τους είχαν επιβάλει και θα αναδειχτούν σε επιστήμη και τεχνολογία αιχμής. Και σταδιακά όλες οι «αιρετικές» ιδέες του Σέχτμαν θα αρχίσουν να επιβεβαιώνονται από διάφορες ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο.
Σήμερα, η αναγνώριση του πρωτοποριακού έργου του είναι πλέον καθολική, και γι' αυτό έπρεπε να του απονεμηθεί το βραβείο Νόμπελ Χημείας. Μια επιβράβευση απολύτως δικαιολογημένη, όχι μόνο για τις ρηξικέλευθες επιστημονικές του ιδέες, οι οποίες άλλαξαν ριζικά τον τρόπο που κατανοούμε τη στερεά κατάσταση, αλλά και για το θάρρος και την επιμονή που επέδειξε όλα αυτά τα χρόνια στην υπεράσπιση των ιδεών του.
ΣΠΥΡΟΣ ΜΑΝΟΥΣΕΛΗΣ - www.enet.gr
Τριάντα χρόνια αφότου ανακάλυψε τους «ημικρυστάλλους» ή, σύμφωνα με μια πιο συντηρητική ορολογία, τους «οιονεί κρυστάλλους» (quasicrystals), ο Νταν Σέχτμαν, αδιαμφισβήτητος πρωταγωνιστής στην έρευνα αυτών των περίπλοκων φυσικών δομών, κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Χημείας. |
| Ο πατέρας των ημικρυστάλλων: Ο Νταν Σέχτμαν (Dan Shechtman) γεννήθηκε το 1941 στο Τελ Αβίβ. Διδάσκει στο Ισραηλινό Ινστιτούτο Τεχνολογίας Technion και στο αμερικανικό Πανεπιστήμιο της Αϊόβα |
Στα εβδομήντα του χρόνια ο πρωτοπόρος Ισραηλινός επιστήμονας φαίνεται πως έχει δικαιωθεί πλέον και επίσημα στην πολυετή μάχη του με τις προκαταλήψεις και τα δόγματα του επιστημονικού κατεστημένου.
Υστερα από τρεις δεκαετίες συστηματικής μελέτης είναι πλέον αποδεδειγμένο ότι οι ημικρύσταλλοι αποτελούν μια ιδιαίτερη μορφή στερεών, τα άτομα και τα μόρια των οποίων διατάσσονται στο χώρο σύμφωνα με μια αυστηρά προδιαγεγραμμένη αλλά μη περιοδική δομή.Πράγματι, μέχρι το 1982, τη χρονιά που αποκαλύφθηκε η ύπαρξη τέτοιων αινιγματικών κρυσταλλοειδών δομών, για την επιστήμη της στερεάς κατάστασης ένα υλικό σώμα είχε μόνο δύο δυνατότητες: μπορούσε να είναι ή να μην είναι κρύσταλλος. Ενδιάμεσες καταστάσεις όχι απλώς δεν υπήρχαν, αλλά ήταν κυριολεκτικά αδιανόητες. Σύμφωνα με τις κρυσταλλογραφικές αντιλήψεις της εποχής, ακόμη και η πιθανότητα ύπαρξης «ενδιάμεσων» ή έστω «οιονεί» κρυσταλλικών δομών στη φύση θα αποτελούσε αντινομία και αντίθεση στους όρους.....
Ημικρύσταλλοι: ψηφιδωτά μεταξύ τάξης και αταξίας
Ωστόσο, αν κάτι μας διδάσκει η ιστορία της επιστήμης, αυτό είναι ότι τα πράγματα δεν είναι ποτέ τόσο απλά όσο περιγράφονται από το κυρίαρχο εξηγητικό-μεθοδολογικό «παράδειγμα» ενός επιστημονικού κλάδου: μοιραία η φαντασία και η επινοητικότητα της φύσης ξεπερνούν τις ιδεοληπτικές αγκυλώσεις και τα «αδιάψευστα» επιστημονικά δόγματα της κάθε εποχής.
Και αυτό ακριβώς διαπίστωσε ένα πρωινό στις 8 Απριλίου του 1982 ο σαραντάχρονος τότε επισκέπτης ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins των ΗΠΑ. Κοιτάζοντας στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο ένα κράμα αλουμινίου-μαγγανίου, ο Ντ. Σέχτμαν διαπίστωσε έκπληκτος ότι αυτό που έβλεπε ήταν εντελώς ακατανόητο με βάση τις παραδεδεγμένες απόψεις της εποχής: είχε μπροστά του μια σαφώς εύτακτη κρυσταλλική δομή, η οποία ωστόσο εμφάνιζε πενταπλή συμμετρία. Αναλύοντας πολλές φορές τα σχήματα περίθλασης αυτού του κράματος, επιβεβαίωσε ότι όντως εμφάνιζε μια πενταπλή μη περιοδική συμμετρία. Με άλλα λόγια, η διάταξη των ατόμων ή των μορίων αυτού του περίεργου «κρυστάλλου» ήταν απεριοδική!
Για το μη ειδικό αναγνώστη αυτή η παρατήρηση ίσως να φαίνεται επουσιώδης ή και εντελώς αδιάφορη, για τον ειδικό όμως ήταν ένα σκάνδαλο: κατάφωρη παραβίαση όλων των παραδοχών της φυσικής της στερεάς κατάστασης, αλλά και των βασικών αρχών της κρυσταλλογραφίας.
Σύμφωνα με το, μέχρι τότε, καθολικά αποδεκτό «δόγμα», ένας κρύσταλλος μπορούσε να εμφανίζει μόνο έναν πολύ περιορισμένο αριθμό τύπων συμμετρίας, και αυτό γιατί υπάρχει ένας αυστηρά περιορισμένος αριθμός διατάξεων βάσει των οποίων τα συστατικά του στοιχεία (μόρια και άτομα) μπορούν να συνδυαστούν και να συνταιριάξουν μεταξύ τους για να σχηματίσουν ένα στερεό. Αν όμως οι κρύσταλλοι όφειλαν να έχουν μια προκαθορισμένη χημική σύσταση και μια αυστηρά επαναλαμβανόμενη χωρική διάταξη (περιοδικότητα), τότε προφανώς αυτές οι νέες εύτακτες αλλά μη περιοδικές δομές μόνο ως «οιονεί κρυσταλλικές» θα μπορούσαν να θεωρηθούν.
Οι αινιγματικές δομές που πρώτος ανακάλυψε ο Ντ. Σέχτμαν, ενώ είναι εξίσου εύτακτες με τους συνήθεις κρυστάλλους (π.χ. τα διαμάντια ή το αλάτι), παρουσιάζουν εντούτοις μια πολύ πιο περίπλοκη χωρική, δηλαδή γεωμετρική, διάταξη.
Μάλιστα, τις δύο τελευταίες δεκαετίες έχουν δημιουργηθεί εκατοντάδες νέα είδη ημικρυστάλλων στα εργαστήρια. Το 2009 μάλιστα στον ποταμό Χαρτίρκα της Ανατολικής Ρωσίας εντοπίστηκε ένας νέος τύπος ορυκτού που περιέχει φυσικά σχηματισμένους εικοσαεδρικούς ημικρυστάλλους. Το ορυκτό αυτό ονομάζεται «εικοσαεδρίτης» και αποτελείται από αλουμίνιο, χαλκό και σίδηρο.
Βλέπουμε λοιπόν ότι οι ημικρύσταλλοι δεν αποτελούν απλώς ένα εργαστηριακό τέχνημα ή, στη χειρότερη περίπτωση, ένα νοητικό κατασκεύασμα, αλλά μια πραγματικά «ενδιάμεση» κατάσταση της ύλης που, από μαθηματική άποψη, θα μπορούσε κάλλιστα να περιγραφεί ως «κάτι» μεταξύ τάξης και αταξίας. Τέτοιες εύτακτες αλλά μη περιοδικές δομές στερεών θυμίζουν πολύ έντονα τα περίτεχνα μεσαιωνικά ψηφιδωτά που θαυμάζει κανείς στα περσικά και στα αραβικά τζαμιά.
Ούτε ημι-επιστήμη ούτε ψευδο-επιστήμη
Θα ήταν αφελές να πιστεύει κανείς ότι η επικράτηση και η αποδοχή μιας νέας επιστημονικής ιδέας είναι μια αμιγώς ορθολογική διεργασία, όπου η «αλήθεια» επιβάλλεται αυτομάτως και χωρίς σθεναρές αντιστάσεις. Και αυτό ακριβώς συνέβη και με την έρευνα των ημικρυστάλλων.
Μόλις ο Νταν Σέχτμαν αποκάλυψε τις αιρετικές απόψεις του σχετικά με τη δομή των ημικρυστάλλων, εκτός από την αδιαφορία ή τη δυσπιστία των συναδέλφων του δέχτηκε και μια θύελλα απαξιωτικών κριτικών από τις μεγαλύτερες αυθεντίες του κλάδου.
Για παράδειγμα, ο δύο φορές βραβευμένος με Νόμπελ Λάινους Πάουλινγκ σχολιάζοντας τα ασυνήθιστα αποτελέσματα των ερευνών του Σέχτμαν έκρινε απαραίτητο να προβεί στην ακόλουθη καυστική δήλωση: «Δεν υπάρχουν ημικρύσταλλοι, μόνο ημι-επιστήμονες»! Μια αναμφίβολα έξυπνη ατάκα, η οποία ωστόσο είναι εντελώς εσφαλμένη και παραπλανητική: όχι μόνο υπάρχουν οι ημικρύσταλλοι, αλλά και ο Σέχτμαν αποδείχτηκε ένας πρώτης τάξεως επιστήμονας!
Η σχεδόν καθολική απαξίωση των πρώτων ερευνητικών του ανακαλύψεων από μέρους της επιστημονικής κοινότητας οδήγησε στην αποπομπή του Σέχτμαν από την ερευνητική ομάδα του Ινστιτούτου NIST (National Institute of Standards and Technology) στις ΗΠΑ, όπου εργαζόταν. Μάλιστα, αποχαιρετώντας τον ο διευθυντής του Ινστιτούτου έκρινε απαραίτητο να του χαρίσει ένα πανεπιστημιακό εγχειρίδιο Κρυσταλλογραφίας... για να μάθει τα βασικά!
Ευτυχώς, ο Σέχτμαν εκτός από ιδιοφυής ήταν και ένας ιδιαίτερα επίμονος ερευνητής. Μετά την αναγκαστική επιστροφή του στο Ισραήλ, συνεχίζει τις έρευνές του στο Πολυτεχνείο Technion, όπου και ξεκινά μια εξαιρετικά γόνιμη συνεργασία με τους Τζον Καν (John Cahn), Ντενί Γκρατιά (Denis Gratias) και Αϊλαν Μπλεχ (Ilan Blech).
Τα επόμενα χρόνια οι ημικρύσταλλοι θα βγουν από το περιθώριο και τον απαξιωτικό αποκλεισμό που τους είχαν επιβάλει και θα αναδειχτούν σε επιστήμη και τεχνολογία αιχμής. Και σταδιακά όλες οι «αιρετικές» ιδέες του Σέχτμαν θα αρχίσουν να επιβεβαιώνονται από διάφορες ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο.
Σήμερα, η αναγνώριση του πρωτοποριακού έργου του είναι πλέον καθολική, και γι' αυτό έπρεπε να του απονεμηθεί το βραβείο Νόμπελ Χημείας. Μια επιβράβευση απολύτως δικαιολογημένη, όχι μόνο για τις ρηξικέλευθες επιστημονικές του ιδέες, οι οποίες άλλαξαν ριζικά τον τρόπο που κατανοούμε τη στερεά κατάσταση, αλλά και για το θάρρος και την επιμονή που επέδειξε όλα αυτά τα χρόνια στην υπεράσπιση των ιδεών του.
ΣΠΥΡΟΣ ΜΑΝΟΥΣΕΛΗΣ - www.enet.gr
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου