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Ciência e arte: da Cristalografia Ciência e arte: da Cristalografia convencional aos quase-cristaisconvencional aos quase-cristais
A difração é utilizada no estudo de arranjos de A difração é utilizada no estudo de arranjos de átomos e moléculasátomos e moléculas..
DNA
A difração é utilizada no estudo de arranjos de A difração é utilizada no estudo de arranjos de átomos e moléculasátomos e moléculas..
YBa2Cu3O7-x (0 < x < 0.5)Superconductor
YBa2Cu3O6
Antiferromagnético
A difração é utilizada no estudo de arranjos de A difração é utilizada no estudo de arranjos de átomos e moléculasátomos e moléculas
Densidade eletrônicaDensidade eletrônica
xyz
ResoluçãoResolução
Radiação Eletromagnética
cmR
cm
cm
e13
324
8
1082.2
10
10
9999.02
1
n
2
22
1mc
e
S i
O
C
Org n
B
A
Como então, observar uma molécula?
Experimento de YoungExperimento de Young
Onda Plana incidente
As fendas agem como fontes secundarias
Interferência construtiva quando as ondas estão
em fase
021
22ssr
rderSF Sri 32
SdeSFr Sri 32
10 ss
1 2
r
r
0s
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dVrFd )(
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Sr 2O
Para o átomo isolado jPara o átomo isolado j
jrSij
j
eSfSF .2
Sf j
rderSF Srij
32
Fator de formaFator de forma
Para uma moléculaPara uma molécula
Porque um cristal?Porque um cristal?
Multiplicação
Convolução
Diffraction GeometryDiffraction Geometry
h k l Io (Io)-1 -9 -3 557 6-1 -3 -9 543 8
S i
O
C
Org n
B
A
O que faz um cristalógrafo?
O problema, tem solução?O problema, tem solução?
2~ hklFhklI
jjj lzkyhxij
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]()()[2 kjkjkj zzlyykxxhikj
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effhklI
Problema das fases
Complexo de MercúrioComplexo de Mercúrio
Os cristaisOs cristais
Cristais imperfeitos, condição fundamental para a validade da 1ª aproximação de Born
Um pouco da parte experimentalUm pouco da parte experimental
Luz Polarizada
Luz Incidente
polarizador
analisador
Não passa a luz
Cristal Isotrópico
Não passa a luz
CristalAnisotrópico
passa a luz
glass fibre
crystal
Cabeça goniométrica
Como montar um cristal
Simetria cristalinaSimetria cristalina
A simetria se manifesta nos A simetria se manifesta nos diagramas de difraçãodiagramas de difração
von Laue (1912) junto com Friedrich e Knipping descobriram a difração de raios-x por um cristal de sulfeto de cobre pentahidratado. Isso confirmou:
i) A natureza ondulatória dos raios-x
ii) A natureza periódica e regular dos cristais.
A simetria se manifesta na A simetria se manifesta na morfologia externa dos cristaismorfologia externa dos cristais
Hextetrahedral Forms (4i3m)Tetrahedron
Diploidal Forms (2/m3i)Pyritohedron
Pyritohedron
A pyritohedron has 30 edges, divided into two lengths: 24 and 6 in each group.
Face polygon irregular pentagon
Faces 12
Edges 30 (6+24)
Vertices 20 (8+12)
Symmetry group Th, [4,3+], (3*2)
Dual polyhedron Pseudoicosahedron
Properties convex
This crystal is a 'pyritohedron'. It looks This crystal is a 'pyritohedron'. It looks similarsimilar to regular dodecahedron to regular dodecahedron—but it's not! At the molecular level, iron pyrite has little cubic crystal —but it's not! At the molecular level, iron pyrite has little cubic crystal
cells. But these cubes can form a pyritohedroncells. But these cubes can form a pyritohedron
dodecahedron
icosahedron
Dodecahedron e Icosahedron possuindo simetria pentagonal são Dodecahedron e Icosahedron possuindo simetria pentagonal são incompatíveis com a simetria traslacionalincompatíveis com a simetria traslacional
Porém, em 1984...Porém, em 1984... Daniel Shechtman Daniel Shechtman
As velocidades de esfriamento alcançáveis pelo método de “melt-spinning” são da ordem de 10
4–107 graus kelvin por segundo (K/s).
Electron diffraction pattern of an icosahedral Ho-Mg-Zn quasicrystal
Padrão de Difração
O primeiro “tiling” de Penrose's usa pentágonos e outras três O primeiro “tiling” de Penrose's usa pentágonos e outras três formas: uma “estrela” de cinco pontas,um “barco“ e um formas: uma “estrela” de cinco pontas,um “barco“ e um
“diamante” “diamante”
Será uma pseudo-periodicidade?Será uma pseudo-periodicidade?
Teoria de twinning de Linus Pauling
Nature,317, 512-514, 1985
Schectman's is an interesting story, involving a Schectman's is an interesting story, involving a fierce battle against established science, ridicule fierce battle against established science, ridicule and mockery from colleagues and a boss who and mockery from colleagues and a boss who found the finding so controversial, he found the finding so controversial, he asked him to leave the lab..
Penrose “tilings” com só dois motivosPenrose “tilings” com só dois motivos
Roger Penrose in the foyer of the Mitchell Institute for Fundamental in the foyer of the Mitchell Institute for Fundamental Physics and Astronomy, Physics and Astronomy, Texas A&M University, standing on a floor , standing on a floor
with a Penrose tilingwith a Penrose tiling
Pipas e Dardos (Kites and Darts)
1
φ
Losangos
Uma variante de “tiling” que não é quseperiódica. Não é um Penrose tiling Uma variante de “tiling” que não é quseperiódica. Não é um Penrose tiling porque a sistemática de empacotamento não foi seguidaporque a sistemática de empacotamento não foi seguida
A “Proporção Divina” ou Razão Áurea (Golden Rate)
Razão áurea e números de Fibonacci
F0 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 F12 F13 F14 F15 F16 F17 F18 F19 F20
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377 610 987 1597 2584 4181 6765
Números de FibonacciNúmeros de Fibonacci
FFnn =F =Fn-1n-1+F+Fn-2n-2
Retângulos com a “razão áurea”
Comprimento das arestas seguem a sequência de Fibonacci
Uma curva conectando números de Fibonacci consecutivos da origem a uma forma muito especial chamada a “Espiral Áurea”
Razão Áurea, Números de Fibonacci e o Razão Áurea, Números de Fibonacci e o mundo que habitamosmundo que habitamos
Galáxias
Orelha humana
Over the centuries, it has been designed by trial and error, without the aid of computers. Over the centuries, it has been designed by trial and error, without the aid of computers. What is interesting is that it was not made to the Golden Ratio intentionally. What the What is interesting is that it was not made to the Golden Ratio intentionally. What the designers found was that the closer the design was to the Golden Ratio, the better the designers found was that the closer the design was to the Golden Ratio, the better the quality of sound. It appears that even sound waves and harmonics tend to the Golden quality of sound. It appears that even sound waves and harmonics tend to the Golden RatioRatio..
Os anéis de Saturno estão na razão áurea Os anéis de Saturno estão na razão áurea
Número de espirais na alcachofraNúmero de espirais na alcachofra
Obtenção de uma sequência quase periódica com Obtenção de uma sequência quase periódica com a repetição periódica de uma dada operação. a repetição periódica de uma dada operação.
1 1 2 3 5 81321
Sequência de Fibonacci e quasicristais de Sequência de Fibonacci e quasicristais de “quasesimetria” pentagonal“quasesimetria” pentagonal
Se a inclinação da reta é irracional, por exemplo na razão áurea, a estrutura projetada Se a inclinação da reta é irracional, por exemplo na razão áurea, a estrutura projetada unidimensional é um conjunto denso, não periódico, de sitios discretos. Limitando a unidimensional é um conjunto denso, não periódico, de sitios discretos. Limitando a
projecão a uma faixa de largura finita, o subespaço pode ser “tiled” com dois projecão a uma faixa de largura finita, o subespaço pode ser “tiled” com dois segmentos cujos comprimentos estão, precisamente, na razão áurea.segmentos cujos comprimentos estão, precisamente, na razão áurea.
Neste exemplo a rede recíproca coincide com a rede “direta” (quadrada de lado unitário). A transformada de Fourier antes da projeção na rede direta é a convolução da rede recíproca com a transformada da função escalão.
Mas,
Projeção num espaço corresponde a nível zero no espaçp conjugado
Fator de Estrutura
Al-Pd-Mn by Yamamoto (1993)Al-Pd-Mn by Yamamoto (1993)
octagonal QC: V-Ni-Si Cr-Ni-Si Mn-Si Mn-Si-Al Mn-Fe-Si
decagonal QC: Al-TM (TM=Ir,Pd,Pt,Os,Ru,Rh,Mn,Fe,Co,Ni,Cr) Al-Ni-Co * Al-Cu-Mn Al-Cu-Fe Al-Cu-Ni Al-Cu-Co * Al-Cu-Co-Si * Al-Mn-Pd * V-Ni-Si Cr-Ni
dodecagonal QC: Cr-Ni V-Ni V-Ni-Si
icosahedral QC: Al-Mn Al-Mn-Si Al-Li-Cu * Al-Pd-Mn * Al-Cu-Fe Al-Mg-Zn Zn-Mg-RE * (RE=La,Ce,Nd,Sm,Gd,Dy,Y) Ti-TM (TM=Fe, Mn, Co, Ni) Nb-Fe V-Ni-Si Pd-U-Si
Então, essa nova forma da matéria condensada Então, essa nova forma da matéria condensada existe no Universo só como criação tecnológica?existe no Universo só como criação tecnológica?
Proceedings of the National Academy of Sciences Proceedings of the National Academy of Sciences
Evidence for the extraterrestrial origin of a natural quasicrystal. Evidence for the extraterrestrial origin of a natural quasicrystal.
PNAS January 31, 2012 vol. 109 no. 5 1396-1401 PNAS January 31, 2012 vol. 109 no. 5 1396-1401
Luca BindiLuca Bindi
John M. EilerJohn M. Eiler
Yunbin GuanYunbin Guan
Lincoln S. HollisterLincoln S. Hollister
Glenn MacPhersonGlenn MacPherson
Paul J. SteinhardtPaul J. Steinhardt
Nan YaoNan Yao
The rock sample consists of grains of more ordinary metallic and The rock sample consists of grains of more ordinary metallic and silicon compounds interspersed with the quasicrystal grains, so it's silicon compounds interspersed with the quasicrystal grains, so it's not wholly a quasicrystal. Some structures in the rock are only not wholly a quasicrystal. Some structures in the rock are only formed under high shocks (unlike sedimentary or volcanic rocks), formed under high shocks (unlike sedimentary or volcanic rocks), and one particular silicate structure, known as stishovite, is most and one particular silicate structure, known as stishovite, is most strongly associated with meteorites. To confirm this suspicion, the strongly associated with meteorites. To confirm this suspicion, the researchers investigated the ratios of various oxygen isotopes, researchers investigated the ratios of various oxygen isotopes, 1818O/O/1616O and O and 1717O/O/1616O, and compared them to the ratios found on Earth O, and compared them to the ratios found on Earth in analogous minerals. Because of the differences in formation and in analogous minerals. Because of the differences in formation and environment, meteorites have a distinctive isotope signature environment, meteorites have a distinctive isotope signature compared to their chemically similar terrestrial cousins. The compared to their chemically similar terrestrial cousins. The scientific team found the sample containing the quasicrystals looked scientific team found the sample containing the quasicrystals looked like it had an extraterrestrial source. like it had an extraterrestrial source.
Extraterrestial quasicrystal of AlExtraterrestial quasicrystal of Al6363CuCu2424FeFe1313, first , first
synthesized in a lab in 1987synthesized in a lab in 1987
Fim de esta estória, mais este século Fim de esta estória, mais este século será verá o desenvolvimento de uma será verá o desenvolvimento de uma fascinante área na pesquisa de novos fascinante área na pesquisa de novos
materiais.materiais.