Ученые разработали новой метод литографической печати, который позволяет создавать множество крохотных фигур сложной формы и выстраивать их необходимым образом. Для демонстрации технологии авторы создали двумерную мозаику Пенроуза — квазипериодическое замощение плоскости фигурами двух типов, которые образуют неповторяющийся узор. Размер деталей был настолько мал, что они сталкивались друг с другом из-за броуновского движения. Работа опубликована в журнале Nature.

Кристаллы обладают трансляционной симметрией, то есть совпадают сами с собой, если сместить их на определенное расстояние. Существует другой тип организованного заполнения — квазикристаллы, которые никогда не повторяются в пространстве, но обладают вращательной симметрией, которая не характерна для обычных кристаллов. Их первооткрыватель Дан Шехтман получил в 2011 году Нобелевскую премию. С тех пор было синтезировано множество квазикристаллов, несколько их видов были открыты в природе. Ученые планируют применять их в разных сферах — от покрытия космической техники до кухонной утвари. Один из простейших видов квазикристаллов — это мозаика Пенроуза, которая состоит из двух видов плитки — в форме выпуклого («воздушный змей») и вогнутого («дротик») четырехугольников.

Одна из проблем, с которой сталкиваются ученые, — это то, что такие квазикристаллы сложно получать. В новой работе исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (США) представили собственный способ синтеза, возможности которого продемонстрировали, получив плитки для мозаики Пенроуза размером около 10 микрон. В процессе литографической печати плитки наносили на подложку, которую затем растворяли. В результате получалась система фигур, между которыми были небольшие расстояния.

Предоставленные сами себе, фигуры начинали двигаться. Авторы наблюдали несколько необычных явлений, в том числе «плавление» квазикристалла под действием броуновского движения, то есть разрушение исходной упорядоченной структуры из-за тепловых движений молекул. При некоторых значениях плотности плиток ученые могли также наблюдать ранее неизвестные экзотические фазы, такие как «пентатический жидкий квазикристалл» (pentatic liquid quasi-crystal).

«Новый метод литографической печати позволит исследователям изучить новые формы материи, не только квазикристаллы, но и другие типы материалов с несколькими характерными масштабами, — говорит один из авторов работы Томас Мейсон. — Этот метод даст нам изучить подобные системы без необходимости предварительного включения взаимодействия между частицами. Наш способ позволяет экспериментаторам перейти непосредственно к изучению подобных двумерных систем, возможно, еще до того, как теоретики выдумают их».