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1、准晶体的研究及其进展,瑞典皇家科学院10月5日宣布，以色列科学家达尼埃尔谢赫特曼因发现“准晶体”而独享2011年诺贝尔化学奖以及1000万瑞典克朗（约146万美元）的奖金。诺贝尔化学奖评选委员会主席拉尔斯特兰德等人解释道，1982年4月8日，谢赫特曼首次在电子显微镜下观察到一种“反常”现象：铝锰合金的原子采用一种不重复、非周期性但对称有序的方式排列。,丹舍特曼（希伯来语：，拉丁化：Dan Shechtman，或译达尼埃尔谢赫特曼，1941年），是出生于特拉维夫的以色列材料科学家，任以色列理工学院菲利普托比亚斯材料科学教授、美国能源部埃姆斯实验室(Ames Laboratory)助理、艾奥瓦州立
2、大学材料科学教授。1982年4月8日，舍特曼在快速冷却的铝锰合金中发现一种新形态的二十面体相（Icosahedral Phase）分子结构，开辟了准晶体研究的新领域。2011年获诺贝尔化学奖，以表彰他“对准晶体的发现。,“当我告诉人们，我发现了准晶体的时候，所有人都嘲笑我。但我并不在意，我知道我是对的，他们是错的，时间终于证明了这一点。”谢赫特曼,一、准晶的概念,1、经典晶体学在准晶发现之前，人们通常认为固态物质仅有两种形态，即晶体和非晶体，前者的结构可用一个结构单元（晶胞）的周期性排列来描述，后者则结构无长程有序，不存在任何对称性，仅有近程有序性。晶体的结构特征决定晶体点阵可能的对称轴次为一
3、次、二次、三次、四次和六次，五次对称和高于六次的对称性不可能在晶体点阵中存在。,一、准晶的概念,2、准晶定义及分类准晶是同时具有长程准周期性平移序和非晶体学旋转对称性的固态有序相。也可定义为是由两种或两种以上“原胞”在空间无限重复构成的。准晶也是一种晶体。准周期性不是准晶的唯一特性，而非晶体旋转对称性实际上是准晶的典型特征，准晶具有五次、八次、十次和十二次对称，其中五次是三维的，其余是二维的。,一、准晶的概念,根据三维物理空间中材料所呈现的维数，可以将准晶分为三维准晶、二维准晶和一维准晶。三维准晶：指的是三维物理空间的材料中，原子在三维上都是呈准周期分布的。实验上已发现三维准晶有二十面体准晶和
4、立方准晶两大类。二维准晶：原子二维呈准周期分布，另外一维呈周期分布。实验上已发现的二维准晶有十次准晶、十二次准晶、八次准晶和五次准晶四类。一维准晶：原子在二维上是周期分布的，另外一维是准周期分布。根据准晶在热力学上的稳定性分为稳定准晶和亚稳定准晶两大类。此外还可以按照准晶旋转对称轴次和构成准晶合金的合金系来分类。,二、准晶体的发现,1、1982年，D.Shechtman等在快速凝固的AlMn二元合金中发现了一种奇特的具有金属性质的相二十面体相。这个相具有明锐的衍射斑点，其电子衍射花样明显地显示出晶体结构所不允许的五次旋转对称性。1984年在美国物理评论快报上发表了“具有长程取向序而无平移对称序
5、的金属相”一文。2、1985年，L.Bendersky在AlMn合金中又发现一种介于二十面体相与晶体相之间的相十边形相。该相具有一维的平移周期性和十次旋转对称性。3、几乎在同一时间，D.Levine及Streinhard在研究具有5次对称的原子簇时，从理论上计算出具有明锐的5次对称性的衍射图，并称这种具有5次对称取向序而无周期平移序的物质为准周期性晶体（Quasi-periodic Crystal），简称准晶。,二、准晶体的发现,4、1987年，法、日科学家成功地在实验室中制造出了大到足以被X射线观察到的准晶体结构，证实了谢赫特曼的发现。5、2009年，科学家们在俄罗斯东部哈泰尔卡湖获取的矿物
6、样本中发现了天然准晶体的“芳踪”，这种名为icosahedrite（取自正二十面体）的新矿物质由铝、铜和铁组成。,二、准晶体的发现,准晶体从发现到被确认经历了波折的过程。“我被赶出了自己所在的研究团队，同事们说我的研究让他们蒙羞。”谢赫特曼回忆说，“对此，我并不在意，我深信自己是对的，他们是错的。”后来，谢赫特曼回到以色列并和一名同事携手撰写文章描述他的发现。这篇文章刚开始也没有逃脱被拒绝的命运，最终于1984年11月面世，随后在科学界引起巨大涟漪。包括著名化学家、两届诺贝尔奖得主莱纳斯鲍林在内的一些化学界权威纷纷质疑谢赫特曼的发现。“他（鲍林）公开说：达尼埃尔谢赫特曼在胡言乱语，根本没有什么
7、准晶体，只有准科学家。”谢赫特曼回忆说。,三、准晶的结构模型,1、一维准晶模型-菲博纳奇（Fibonacci）序列Fibonacci 序列诞生于13世纪，L、S分别代表两段长、短线段，序列中L可以成双或成单出现，而S只能单个出现，序列的任意项均为前两项之和，相邻项的比值逐渐逼近黄金分割数（1.61803）,三、准晶的结构模型,2、二维准晶模型-彭罗斯（Penrose）拼图Penrose拼图是英国数学物理学家R.Penrose于1974年提出。Penrose拼图具有一种不严格的长程平移对称性。,三、准晶的结构模型,3、三维准晶模型-三维彭罗斯拼砌模型美国物理学家D.Levine等进一步研究了三维
8、彭罗斯拼图和它的衍射花样。,四、准晶体的性能及应用,（一）准晶的性能1、密度：准晶的密度比经过退火后得到的相同成分晶态相的密度约低2%。2、导电性：电阻率高、负的温度系数（温度升高电阻率反而升高）、样品质量越差电阻率越低、很强的各向异性。3、导热性：低导热率、负温度系数，接近陶瓷的隔热性能，与普通合金截然不同。4、磁性能：至今没有发现准晶所独有的磁性能。5、力学性能：室温下与普通金属化合物类似，硬而脆。准晶的硬度与陶瓷相仿，远高于高强铝合金，而韧性较低，脆性较大，是陶瓷的4倍。6、摩擦性能：准晶薄膜具有较好的耐磨性。7、表面抗氧化及不粘性。8、储氢特性。9、弥散强化特性。,四、准晶体的性能及应
9、用,（二）准晶的应用准晶材料的性能特点有较高的硬度、低摩擦系数、不粘性、耐蚀、耐腐等，但准晶材料在常温下呈脆性，这大大限制了它的应用。目前，准晶材料主要应用于表面改性材料和结构材料增强两方面。前者主要应用于炊具表面材料（如不粘锅涂层等）、隔热材料（如航空发动机等）和太阳能工业薄膜材料；后者主要用准晶相作时效强化相、用准晶纳米颗粒增强铝基合金、用准晶颗粒增强复合材料等。,五、我国科学家对准晶体的研究,在准晶的研究方面，我国的水平几乎与国外同步。1985年中科院沈阳金属所郭可信院士领导的研究组在 急冷合金中发现了二十面体准晶，这是首例非Al基准晶相。随后，又发现了一系列新准晶种类，如 二十面体准晶
10、、硅化物准晶等。郭可信（1917-2006）,男，中国科学院北京电子显微镜开放实验室主任、研究员。中科院院士、物理冶金和晶体学家。1985年他领导的研究组发现五重旋转对称和Ti-V-Ni二十面体准晶，在国际学术界产生重要影响并获得高度评价，被称之为“中国相”，并于1987年获得国家自然科学一等奖。1988年发现八重旋转对称准晶及十二次对称准晶并获国家自然科学三等奖。1988年发现稳定Al-Cu-Co十重旋转对称准晶及一维准晶并获得中国科学院自然科学二等奖。1993年获第三世界科学院物理奖。1994年获何梁何利科学技术进步奖。,六、总结,1、准晶是一种特殊结构的晶体，原子的排列没有周期性，但是长
11、程有序，因此在TEM和XRD中都表现出明锐的亮点或者峰。很多人认为准晶是介于晶体和非晶的一种物质，因此XRD的峰应该比较宽，这个想法是错的，高质量的准晶单晶的峰很窄，跟Silicon差不多。准晶单晶看起来也跟普通的晶体没有什么区别，断面跟silicon晶体的断面类似，非常的亮。2、准晶的结构非常复杂，很难通过常规的方法解析。准晶没有周期性，所以没有晶胞的概念，从另一个角度也可以说准晶的晶胞是无穷大的。3、准晶有稳定的也有亚稳态的。,六、总结,4、准晶的概念现在不仅仅在合金中，科学家们已经人工合成出了一些高分子的准晶，如liquid quasicrystal,最近一些做合成的人又合成了一些纳米粒
12、子，这些纳米粒子能够自组装成具有准晶结构的纳米结构。准晶的结构还为设计新型的材料提供了思路，比如光子准晶。,六、总结,5、目前对于准晶的研究有几个方向。首先，是新型准晶的发现，尤其是稳定的二元准晶；其次，大尺寸准晶单晶的制备，这个是很多物理性质、表面性质研究的基础，因为准晶的组分严格，单晶生长的窗口小，所以做起来比较困难；第三，准晶的结构解析方法的建立；第四；也是很重要的，准晶物理性质的研究和控制，准晶有很多很好的物理性质，但是很难应用，如果能有效的调控这些物理性质，对开发准晶的应用将有很好的指导意义；第五；准晶的表面结构和性质，准晶一些优良的表面性质与其表面结构有着紧密的联系，但是对准晶表面结构的了解还不够，并且准晶作为一种准周期结构的衬底，在上面生长具有准周期结构的薄膜或者纳米结构在物理研究上也是很有意义的。,参考文献,1、准晶研究，郭可信，20042、准晶材料，董闯，19983、准晶体，刘有延等4、准晶结构及对称新理论，陈敬中，19965、准晶材料的研究及应用，伍陶陶等，20106、引人注目的新材料-准晶材料：准晶材料介绍，肖华星，20037、引人注目的新材料-准晶材料：准晶基础，肖华星，20038、引人注目的新材料-准晶材料：准晶的形成，肖华星，20049、引人注目的新材料-准晶材料：准晶的性能及应用，肖华星，2004,谢谢大家！,
