准晶及准晶材料概览

1.准晶体研究进展 准晶体研究进展
• 目前，国际国内对准晶体的结构及其稳定 性研究较透彻，而对它的物理性质（尤其 是热力学性质）方面的理论研究很少。从 目前来看，除了一维准晶情况外，准晶体 的物性研究无论是实验还是理论方面都还 处于开始阶段。 • 目前研究的瓶颈在于实验上，毫米级的大 块准晶单晶不易制备，从而限制了物理性 质的实验研究。实验数据的缺乏也反过来 制约了理论研究的进展。
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1984年，丹尼尔·谢赫特曼发现了三维世界中的 20面体准晶。这一准晶的拼图形式由两种不同的 菱形组成。他们发现的这一五次对称性结构产生 于融化后快速冷却的Al-Mn合金中。 2009年，矿物学上的一个发现 为准晶是否能在自然条件下形 成提供了证据：俄罗斯的一块 铝锌铜矿上发现了 Al63Cu24Fe13组成的准晶颗粒。
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2.准晶体实例 准晶体实例
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Ag-Al准晶
Al-Rh准晶
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Al-Cu-Co十次对称棱柱状准晶
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Ti-Ni准晶
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三、准晶体的结构、 准晶体的结构、 性能介绍
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1.准晶体的结构介绍 准晶体的结构介绍
是否具有“三维 是否具有“三维Penrose”拼图 ”拼图?
答案似乎是显然的，但并非 二维Penrose拼图在第三维上 的简单拓展，而是寻找一个 全新的结构来填充整个空间。
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1978-1982 Mackay提出了三 提出了三Penrose拼图 拼图5 提出了三 拼图 次轴存在的可能性
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2、X射线晶体学的发展简史 、 射线晶体学的发展简史
• 1909劳厄发现晶胞对X射线散射中的散射波叠加 平均效应 • 1912年劳厄、厄瓦尔得到第一张Ｘ射线衍射图 ，发现晶体Ｘ射线衍射效应，建立了Ｘ射线光谱 学。 • 1913莫斯莱建立莫斯莱定律。 • 1956-1960年，电子显微镜下观察了大量的晶体 结构晶格相， 高分辨率透射电子显微镜分辨率 <0.1nm 晶胞尺寸。 • 1984年，谢赫特曼发现第一个准晶体，准晶体 学分支学科形成。
• 准晶体有别于晶体的最大特点是，具有 准周期性结构，即不具有传统的平移周 期性，但又有别于非晶体的无序排布。 因此，准晶体可以拥有五次及六次以上 的旋转轴。 • 数学上已经证明，具有平移性的晶体不 存在5及6以上旋转轴。
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数学家在准晶发现之前已经从理论上对准晶的 存在给出了预言。1974年 R.Penrose发现一种 非周期可填满整个空间的图形结构Pentaplexity
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然而直到1984年D.Shechtman才通过骤冷 年 才通过骤冷Al-Mn 然而直到 才通过骤冷 合金得到了第一个人工准晶体
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m35对称元素投影图 对称元素投影图
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1985 L.Bendersky Al-Mn 10次轴 次轴 次年中国科学家冯国 光发现Al-Fe 10次轴 光发现 次轴
1、几何晶体学的发展简史 、
• 1669年斯登诺、1783年爱斯尔发现晶面夹角 守恒定律.。 • 1805-1809年魏尔斯发现晶体对称定律(只存 在1,2,3,4,6次轴)。 • 1830年赫塞尔、加多林推导出晶体外形对称 元素宏观对称类型共有32种（即32种点群）。 • 1848年布拉维指出确定了空间点阵的14种形 式（即14种布拉维点阵）。 • 1889年松克提出晶体全部可能的微观对称类 型共有230种（即230个空间群）。
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2.在2008年9月 Joan M. Taylor发现一种 在 年 月 发现一种 带花纹的六边形 可以非周期性的铺满整个平面
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Joan M. Taylor给出了一种三维准周期结构，对 给出了一种三维准周期结构， 给出了一种三维准周期结构 新的准晶结构的发现有较为重要的的指导意义。 新的准晶结构的发现有较为重要的的指导意义。
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两个现在比较热 门的研究焦点
1.分子准晶 分子准晶 这一分子准晶是以具有十则对称的10,5-Coronene 为核心的分子为结构基元在Penrose tiling(由一胖 一瘦两种菱形组成的准对称构形)上“拼” 成。
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谢赫特曼的准晶之缘
1982年4月，谢赫特 曼在研究一种铝锰合金时， 发现其中的“晶体”物质 存在10次对称轴。它的电 子衍射照片在旋转36° （十分之一周）后，才能 使旋转前后的照片上的衍 射斑点完全重合在一起。
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• 当时，国际上大多数科学家都反对准晶体理 论，但是谢赫特曼还是坚持准晶体的研究。 其中，反对最激烈、声望最高的是两度获得 诺贝尔奖的莱纳斯·鲍林（1945&1962）. • 鲍林曾经在一场新闻发布会上说：“谢赫特 曼在胡说。没有准晶体这种东西，只有准科 学家。”鲍林还发表了不少晶体结构方面的 文章，想方设法要把谢赫特曼的准晶体归纳 到传统的晶体学教科书里。由于鲍林在国际 化学界影响很大，他给谢赫特曼“准科学家” 的称谓不胫而走。
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准晶体及准晶体材料概览
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摘 要：准晶体翻开了晶体学新的一页，同时
也在材料领域开拓了新的研究方向。2011年诺贝 尔化学奖授予以色列科学家丹尼尔·谢赫特曼， 以表彰他发现准晶体。可以说，准晶体带来了材 料化学、结构化学的革命；本报告通过对准晶体 的发现历史、结构、特性，应用等方面的讨论， 增加同学们对晶体学知识的了解，激发同学们对 化学新兴领域的兴趣。
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• 在准晶的研究方面 ，我国 的水平几乎与国外同步 。 1984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、硅化物准 晶等。
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一些比较重要的准晶组成、结构。 一些比较重要的准晶组成、结构。发现年代简表
Cr-Ni-Si 准晶（8次轴）的高分辨率电子显微镜照片
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2.准晶材料的性能概览 准晶材料的性能概览
• • • • • • 1.传输特性 2.表面特性 3.弥散强化特性 4.储氢特性 5.光学特性 6.高温塑性
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四、准晶体研究进展 与准晶材料应用
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1987年，法国和日本科学家制出足够 大的准晶体，可以经由X射线和电子显微镜 直接观察到这种晶体。至此，谢赫特曼的 理论才得到科学界的认可。
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诺贝尔奖评选委员会 在高度评价了谢赫特 曼研究的同时，也对 全世界科学家们发出 了警告：“即使最伟 大的科学家也会陷于 传统藩篱的桎梏中， 保持开放的头脑、敢 于质疑现有认知是科 学家最重要的品质。”
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2.准晶材料的应用现状 准晶材料的应用现状
1.作为表面改性材料 作为表面改性材料 2.炊具表面材料 炊具表面材料 3.隔热材料 隔热材料 4.作为结构材料增强相 作为结构材料增强相 5.储氢材料 储氢材料 6.太阳能工业薄膜材料 太阳能工业薄膜材料
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五、参考文献与致谢
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Pentaplexity分形结构 分形结构
• Pentaplexity具有分形结构，可以证明不具有 平移周期。 • 类似的还存在“一维Pentaplexity”，其节点 距离满足以下Fibonacci数列，同样具有自相 似性。
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二维Pentaplexity
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3、准晶体的历史渊源和现状概括 、
500年前，伊朗 的伊斯法罕有一 座古老的清真寺， 上面的砖片图案 就是按照准晶样 式排列的，这是 准晶最早的溯源。
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1961年，数学家王浩提出了用不同形状的拼 图铺满平面的拼图问题。数学家们已经知道，可 以用单一形状的拼图拼满一个平面 1976年，Roger Penrose构造了一 Penrose 系列只需要两种拼 图的方法，这种方 法拼出来的图案具 有五次对称性。即 Penrose拼图（后 文详细介绍）
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• 其次，准晶合金的原子结构大都不易精 确确定。准晶体的发现 是近年来凝聚态 物理学的一个重要突破，现已发现准晶 态广泛地存在于许许多多合金之中。 • 最近，准晶地研究有了进一步的发展： 由于最初获得的准晶相是亚稳态的，不 适合于进行一些力学性能的测试。现在 已经在一些Al-Li-Cu、Al-Cu-Fe和Al-CuCo等合金系中已发现了大量热力学稳定 的准晶。
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源自文库
1985年T.Ishimasa 得到 年 得到NiCr 准晶（12次轴） 准晶（ 次轴 次轴） 不久中国科学家陈焕等得到 V-Ni-Si准晶（12次轴） 准晶（ 次轴 次轴） 准晶 1987年王宁 得到 年王宁 得到Cr-Ni-Si 准晶（ 次轴 次轴） 准晶（8次轴）
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二、准晶体的定义、 准晶体的定义、 基本特征与实例
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1.准晶体的定义与基本特征 准晶体的定义与基本特征
• 物理学定义：准周期晶体，简称称准晶 物理学定义：
体，是介于晶体与非晶体(玻璃体)之间的 中间形式；准晶具有完全有序的结构，不 具有晶体所应有的平移对称性，具有晶体 所不允许的宏观对称性。 • 基本特征：理想的准晶体是由两种以上 基本特征： 有“原胞”在空间无限地重复构成的，这 些“原胞”的排列具有长程的准周期平移 序和长程指向序。
关键词： 关键词：准晶体
准晶材料
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内容概览
一、晶体学的发展历史与准晶体的出现 准晶体的定义、 二、准晶体的定义、实例展示 准晶体的结构、 三、准晶体的结构、性能介绍 四、准晶体研究进展与准晶材料应用 五、参考文献与致谢
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一、晶体学的发展历史 与准晶体的出现
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Danielle.Shechtman
(1941-)理论物理学家 • 1982年，他率先在实验室 环境下发现准晶体“现象. • 1984 1984年，另一个研究小组 独立发现类似现象，两个小 组的研究结果得以同时发表。 准晶体的相关研究成果已被 应用到材料学、生物学等多 种领域。 • 2011年获得诺贝尔化学奖
化学与分子工程学院 • 参考文献 Penrose R.Pentaplexity:A Class of non-periodic tilings of the plane.Math.Intelligencer,1979,2:32~37 Crystallography and the Penrose Pattern.Physica,1982,A114:609~613 Metallic phase with long-range orientational order and no translational symmetry.Phys.Rev.Lett.,1984,53:1951~1953 Bendersky L,Schaefer R J,Biancaniello F S,et al.Icosahedral Al-Mn and related structures:resemblances in structure.Scr.Metall.,1985,19:909~914 Fung K K,Yang C Y,Zhan Y Q,et al.Icosahedrelly related decagonal quasicrystal in rapidly cooled Al-14-at%-Fe alloy.Phys.Rev.Lett.,1986,56:2060~2063 Ishihara K N,Yamamoto A.Penrose Patterns and related structures,I.Superstructure and generalized Penrose Patterns.Acta Crystal ogr.,1988,A44:508~516 Wang N,Chen H,Kuo K H.Two-dimensional quasicrysta with eightfold rotational symmetry.Phys.Rev.Lett.,1987,59:1010~1013 Bersill,L.A.and Peng Ju-lin,Penrose tiling observed in a quasicrystal1985,Nature,316(4),50-51. Levine.D,Steinhardt P J,Mean-Field Theory of Quasicrystalline Order.Phys.Rev.Lett,1985.54:1524 An aperiodic hexagonal tile.Joan M. Taylor