Versi orisinal dari artikel ini muncul di Quanta Magazine.
Sejak penemuannya pada tahun 1982, material eksotis yang dikenal sebagai kuasikristal telah membingungkan para fisikawan dan kimiawan. Atom-atomnya menyusun diri menjadi rantai pentagon, decagon, dan bentuk-bentuk lain untuk membentuk pola yang tak pernah benar-benar berulang. Pola-pola ini seolah menentang hukum fisika dan intuisi biasa. Bagaimana mungkin atom-atom “tahu” cara membentuk susunan rumit yang tak berulang tanpa pemahaman matematika yang maju?
“Kuasikristal adalah salah satu hal yang sebagai seorang ilmuwan material, ketika Anda pertama kali mempelajarinya, reaksi Anda adalah, ‘Itu gila,'” kata Wenhao Sun, seorang ilmuwan material di University of Michigan.
Namun belakangan ini, serangkaian hasil penelitian berhasil mengungkap beberapa rahasianya. Dalam satu studi, Sun dan rekan-rekannya mengadaptasi sebuah metode untuk mempelajari kristal dan menentukan bahwa setidaknya beberapa kuasikristal stabil secara termodinamika—atom-atomnya tidak akan berpindah ke susunan berenergi lebih rendah. Temuan ini membantu menjelaskan bagaimana dan mengapa kuasikristal terbentuk. Sebuah studi kedua telah menghasilkan cara baru untuk merekayasa kuasikristal dan mengamatinya selama proses pembentukan. Dan kelompok penelitian ketiga telah mencatat properti-properti yang sebelumnya tidak diketahui dari material tak biasa ini.
Secara historis, kuasikristal memang menantang untuk diciptakan dan dikarakterisasi.
“Tidak diragukan lagi bahwa mereka memiliki sifat-sifat yang menarik,” ujar Sharon Glotzer, seorang fisikawan komputasi yang juga berbasis di University of Michigan namun tidak terlibat dalam penelitian ini. “Tetapi untuk dapat membuatnya dalam jumlah besar, meningkatkan skalanya, hingga level industri—[itu] terasa tidak mungkin, tetapi saya rasa ini akan mulai menunjukkan kepada kita cara melakukannya secara reproduktif.”
Vikram Gavini, Sambit Das, Woohyeon Baek, Wenhao Sun, dan Shibo Tan memegang contoh bentuk geometris yang muncul dalam kuasikristal. Para peneliti dari University of Michigan telah menunjukkan bahwa setidaknya beberapa kuasikristal stabil secara termodinamika.
Photograph: Marcin Szczepanski Michigan Engineering
Simetri ‘Terlarang’
Hampir satu dekade sebelum fisikawan Israel Dan Shechtman menemukan contoh pertama kuasikristal di laboratorium, fisikawan-matematikawan Inggris Roger Penrose telah memikirkan pola “kuasiperiodik”—hampir tetapi tidak sepenuhnya berulang—yang akan mewujud dalam material-material ini.
Penrose mengembangkan seperangkat ubin yang dapat menutupi bidang tak terhingga tanpa celah atau tumpang tindih, dalam pola yang tidak, dan tidak bisa, berulang. Berbeda dengan teselasi yang terbuat dari segitiga, persegi panjang, dan heksagon—bentuk-bentuk yang simetris melintasi dua, tiga, empat, atau enam sumbu, dan yang menyusun ruang dalam pola periodik—pelapisan Penrose memiliki simetri lima lipat yang “terlarang”. Ubin-ubin tersebut membentuk susunan pentagonal, namun pentagon tidak dapat saling rapat berjejer untuk menutupi bidang datar. Jadi, sementara ubin sejajar di sepanjang lima sumbu dan melakukan teselasi tanpa henti, bagian-bagian berbeda dari polanya hanya terlihat mirip; pengulangan yang persis mustahil terjadi. Pelapisan kuasiperiodik Penrose menghiasi sampul *Scientific American* pada 1977, lima tahun sebelum mereka melakukan lompatan dari matematika murni ke dunia nyata.