ریاضی‌دانان و مهندسین دانشگاه یوتا در همکاری با یکدیگر نشان دادند که امواج فراصوت می‌توانند ذرات کربن موجود در آب را سازماندهی کنند. این سازماندهی، الگوهایی را می‌سازد که هرگز تکرار نمی‌شوند. به گفته محققین این تیم، ایجاد این الگوها، منجر به تولید موادی می‌شود که شبه کریستال نام دارند و می‌توانند خاصیت مغناطیسی یا الکتریکی خاصی از خود بروز دهند. این تحقیق علمی و چگونگی ساخت این الگوها در مجله Physical Review Letters به چاپ رسیده است.
به عقیده Fernando Guevara Vasquez، دانشیار در دانشکده ریاضی، شبه کریستال‌ها به علت دربر داشتن ویژگی‌هایی که کریستال‌های معمولی فاقد آن‌ها هستند، مورد استقبال قرار گرفته‌اند. او افزود:«شبه کریستال‌ها، کمتر از مواد مشابه گروه خود، بی‌نظم و یا دارای نظم دوره‌ای هستند. این مواد می‌توانند الکتریسیته را هدایت و یا امواجی را به روش‌های متفاوت از درون بلورها پراکننده کنند.»
یک صفحه شطرنجی را در نظر بگیرید. می‌توانید یک مربع دو در دو از دو کاشی سیاه و دو کاشی سفید (یا قرمز) انتخاب کنید. سپس از این مربع به تعداد لازم کپی کرده و کنار هم بچسبانید تا کل صفحه پوشانده شود.
چنین ساختارهای دوره‌ای که دارای الگوهای تکراری هستند، به‌طور طبیعی درون بلورها موجود می‌باشند. مثلا یک دانه نمک را در نظر بگیرید. اگر دانه نمک را در سطح اتمی بررسی کنید، شبکه‌ای شبیه اتم‌های سدیم و کلرید مشاهده می‌کنید. شما می‌توانید یک قسمت خاص از این شبکه کریستالی را برداشته و سپس قسمت دیگری دقیقا همانند این قسمت را، در جای دیگر کریستال پیدا کنید.
اما ساختارهای شبه دوره‌ای متفاوت از ساختارهای دوره‌ای کریستال‌ها ظاهر می‌شوند. یک نمونه از ساختارهای شبه دوره‌ای، الگویی به نام کاشی‌کاری پنروز است. در نگاه اول، شاید احساس کنید که کاشی‌ها در یک الگوی منظم کنار هم قرار گرفته‌اند. اما اینطور نیست! اگر قسمتی از این الگو را کپی کرده و بخواهید همانند آن را در بخش دیگری پیدا کنید، هرگز موفق نخواهید بود.
کشف این ساختارها در سال ۲۰۱۱ جایزه نوبل شیمی را برای دانشمند علم مواد، Dan Schechtman به همراه داشت و این، شروعی برای مطالعه گسترده بر روی مواد شبه کریستال بود. در سال ۲۰۱۲، Guevara و Bart Raeymaekers از دانشیاران دانشکده مهندسی مکانیک، دست به طراحی موادی زدند که ساختارهای آن‌ها در مقیاس میکرو، قابل طراحی شدن است.
در حقیقت، آن‌ها در ابتدا به دنبال ساخت مواد شبه کریستالی نبودند و سعی داشتند تا تئوری‌های خود را مورد آزمایش قرار دهند. اما همکاری آن‌ها با یکی از دانشجویان دوره دکترا در رشته ریاضی، China Mauck که بر روی مواد با ساختارهای دوره‌ای و الگوهای ممکن آن‌ها با استفاده از امواج فراصوت مطالعه می‌کرد، سبب گسترش مطالعات در زمینه مواد شبه کریستالی شد.
آن‌ها در نتیجه تحقیقات خود دریافتند که در هر صفحه تخت از برش این مواد، می‌توان دو جفت مبدل موازی فراصوت پیدا کرد که قرار گرفتن ذرات در ساختارهای دوره‌ای را کنترل می‌کنند.
Cherkaev عقیده دارد که در زمینه الگوهای شبه دوره‌ای می‌توان به جای استفاده از روش برش زدن الگو و چسباندن آن، از روش برش زدن و تصویر کردن استفاده کرد. برای طراحی الگوهای شبه دوره‌ای با استفاده از این روش، کار از یک شبکه مربع شکل در صفحه شروع می‌شود.
در ابتدا یک خط را به صورتی از میان این صفحه عبور می‌دهیم و یا اصطلاحا برش ایجاد می‌کنیم که این خطر تنها از یک گره عبور کند. برای رسم این خط می‌توان از زوایای غیرمعمول، همانند عدد پی و یا تعداد زیادی از اعداد خاص در ریاضی، استفاده کرد. در مرحله بعد باید نزدیک‌ترین گره‌های شبکه را روی خط کشیده شده، تصویر کرد.
اطمینان حاصل کنید که الگوهای موجود میان گره‌های تصویر شده تا خط، تکراری نیستند. الگوهای ایجاد شده را شبه دوره‌ای می‌نامند. همین مراحل را می‌توان در صفحه دو بعدی نیز انجام داد. Cherkaev می‌گوید:«ما کار را با یک شبکه و یا یک تابع تناوبی در فضای ابعاد بالاتر شروع می‌کنیم. به صورت صفحه‌ای برش ایجاد می‌کنیم و در روی صفحات ایجاد شده، از فرآیند توضیح داده شده استفاده می‌کنیم تا تابع دوره‌ای را بر روی فضای D-2بعدی بدست آوریم. پس از آنکه از مبدل‌های فراصوت استفاده می‌کنیم، مبدل‌ها سیگنال‌های دوره‌ای را در فضاهای با ابعاد بالاتر تولید می‌کنند.»
محققان چهار جفت مبدل فراصوت را در یک آرایش هشت ضلعی چیده‌اند. کفته می‌شود این ساده‌ترین چیدمانی است که می‌تواند آرایش ذرات شبه دوره‌ای را به نمایش بگذارد.آن‌ها می‌گویند:«ما کنترل محدودی بر روی سیگنال‌هایی داریم که برای به کار انداختن مبدل‌های فراصوت به کار گرفته می‌شوند. در حقیقت فقط می‌توانیم از این سیگنال‌های و یا حالت منفی شده آن‌ها استفاده کنیم.»
در این چیدمان هشت ضلعی، محققین مجموعه کوچکی از نانو ذارت کربن که در آب معلق بودند را قرار دادند. پس از روشن کردن مبدل‌ها، امواج فراصوت، ذرات کربن را به جای خود هدایت کرده و الگوی شبه دوره‌ای مشابه کاشی‌کاری پنروز ایجاد شد. Guevara در این باره گفت:«پس از انجام آزمایش، نتایج بدست آمده را با پیش‌بینی‌های نظری مقایسه کردیم و شاهد تطابق بسیار خوبی بودیم.»
مرحله بعد، ساخت ماده واقعی با آرایش الگوی شبه دوره‌ای است. سرپرست تیم تحقیقات می‌گوید:«ساخت مواد واقعی کار دشواری نیست. اگر به جای معلق کردن ذرات در آب از یک پلیمر استفاد شود، در این صورت می‌توان میزان سختی مواد را پس از قرار گرفتن در موقعیت خود، تعیین کرد. مهمتر از آن، با استفاده از این روش می‌توانیم با انتخاب نحوه تنظیم مبدل‌های فراصوت و همچنین نحوه جابجایی آن‌ها، مواد شبه دوره‌ای ۲ بعدی و ۳ بعدی ایجاد کنیم که تقارن‌های متداول را نیز دارا باشند.»
هنوز مشخص نشده است که از این مواد در چه راستایی می‌توان استفاده کرد. اما یکی از اهداف ما، استفاده از این مواد برای کنترل امواج الکترومغناطیسی، در تقلید از فناوری ۵G تلفن‌های همراه است.
از دیگر کاربردهای شناخته شده مواد شبه دوره‌ای، می‌توان به پوشش‌های نچسب به دلیل ضریب اصطکاک کم و پوشش‌های عایق در برابر انتقال حرارت اشاره کرد. همچنین می‌توان به سخت شدن فولاد ضد زنگ با جاسازی ذرات کوچک شبه کریستالی اشاره کرد. در بیانیه جایزه نوبل شیمی سال ۲۰۱۱، ذکر شده است که بلورهای شبه کریستال‌ها می‌توانند همانند یک زره، استقامت مواد را تقویت کنند.
در نتیجه محققین عقیده دارند که می‌توانیم به با مونتاژ ذرات توسط مبدل‌های فراصوت، ساختارهای شبه دوره‌ای جدید بدست آورد.
