准晶体的发现及意义
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准晶体摘要：准晶体是一种具有有序但不具备传统晶体完全周期性重复结构的材料。
本文将介绍准晶体的基本概念、发现历史、晶体学特征、结构特点以及其在材料科学领域的应用等方面。
通过对准晶体的深入研究，我们可以更好地了解这种材料的特殊性质，从而为今后的材料设计与合成提供更多可能性。
1. 引言准晶体是一种介于晶体和非晶体之间的特殊材料，其结构既具有一定的有序性，又存在非晶体所特有的无规则局部结构。
准晶体的发现给传统晶体学观念带来了很大的冲击，使得人们重新审视晶体结构的多样性和复杂性。
2. 发现历史准晶体的发现可以追溯到20世纪70年代初。
当时，关于准晶体存在的猜测和研究已经逐渐增多，但直到1975年才有科学家首次成功合成出了一种具有五重旋转对称性的准晶体。
这个发现引起了极大的轰动，并引发了整个科学界对准晶体的深入研究。
3. 晶体学特征准晶体的晶体学特征与传统晶体存在一定的差别。
准晶体的晶胞通常具有五重旋转对称性，而不是晶胞中心对称或其他常见的对称性。
此外，准晶体的点阵常数通常不是整数，这也是准晶体与普通晶体的一个显著区别。
4. 结构特点准晶体的结构特点是其与传统晶体最大的不同之处。
准晶体的结构在宏观上呈现出高度有序的态势，但在微观上却存在着一些局部无规则的结构。
这种具有非晶体特点的局部结构是准晶体与普通晶体的本质区别。
5. 应用与前景准晶体具有独特的结构和性质，将为材料科学领域带来许多新的应用与前景。
准晶体在催化剂、材料增强、信息存储、光学器件等方面都有着广泛的应用。
未来，通过对准晶体的深入研究，我们可以更好地利用准晶体的特性，实现更高效、更可靠的新型材料的开发与制备。
6. 结论准晶体作为一种介于晶体与非晶体之间的特殊材料，其结构和性质的研究具有重要的科学意义和应用价值。
通过对准晶体的深入研究，我们可以更深入地了解准晶体的结构特点，为今后的材料设计与合成提供更多的可能性。
相信在不久的将来，准晶体将在材料科学领域发挥着重要的作用。
[课外阅读]科学家首次发现两元素准晶体
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[课外阅读]科学家首次发现两元素准晶体
中国台湾科学家蔡安邦博士在日本首次发现了由两种元素构成的准晶体，这一发现有助于半导体新材料的开发。
据日本科技厅提供的资料介绍，物质的构成由其原子排列特点而定。
原子呈周期性排列的固体物质叫做晶体，原子呈无序排列的叫做非晶体，介于这两者之间的叫做准晶体。
科学家于１９８２年发现了具有准晶体结构的合金，但是迄今发现的准晶体都由３种以上的元素构成，如铝－铜－铁、镁－铝－铜等，构成准晶体的原子团多呈２０面体，具有高度的对称性。
蔡安邦博士这次发现的准晶体只由铬和镱２种元素构成，其结构呈２０面体，对称性不太明显，稳定性却很高。
今年４１岁的蔡安邦博士出身于我国台湾省，目前在日本科技厅金属材料技术研究所从事准晶体的研究工作。
他的这一科研成果发表在１１月３０日出版的英国《自然》杂志上。
——文章来源网，仅供分享学习参考~ 1 ~。
准晶体简介
准晶的组成和结构
组成：从组成上看，至今发现的准晶绝大
称性。介于玻璃（短程有序，长程无序）和晶体（长程 有序，且具有平移对称性）之间。
金属玻璃
金属准晶体
金属晶体
天然准晶矿物
准晶体立体模型
准晶体原子结构模型
准晶体平面堆砌图
彭罗斯贴砖图
谢赫特曼发现的Al-Mn合金准晶体
结构模型图
谢赫特曼发现的Al-Mn合金准晶体 稳定性
在300℃中保温6h和在350℃中保温1h都不发生 晶化 在400℃保温1h晶化为稳定的Al6Mn晶相 准晶相为典型的介稳相
准晶体的分类
根据三维物理空间中材料呈现准周期性的维数划分
三维准晶：有二十面体准晶和立方准晶两大类 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 准周期分布的。 根据准晶在热力学上的稳定性划分 可将其分为稳定准晶和亚稳定准晶两大类。 至今发现的近200种准晶中有七十多种是热力学稳定的
谢赫特曼发现的Al-Mn合金准晶体 合成制备
含Mn、Fe、Cr 10-14%的Al金属熔体急冷，一步 转化为介稳的固体 生成过程包括成核和长大两个过程，随着准晶相 的形成，发生两相隔离，界面扩散速度10-2m/s, 生成时间10-4s.
Shechtman D, Blech I, Gratias D, et al. Metallic phase with longrange orientational order and no translational symmetry[J]. Physical Review Letters, 1984, 53(20): 1951.
准晶材料的应用
准晶体的发现、研究及应用前景
准晶体的发现、研究及应用前景王一贺31200001701984年，舍特曼在美国霍普金斯大学工作时发现了准晶，其实自然界早已经有准晶体的踪影。
2009年，在意大利佛罗伦萨自然科学史博物馆的一块古老岩石中，意大利和美国科学家发现了天然准晶体化合物的“芳踪”，如图2所示，他们把这种由铝、铜和铁三元合金系组成的新矿物质命名为Icosahedrite(取自正二十面体)。
而这种天然准晶体似乎来自45亿年前的一块陨石，它可能是一种最古老的矿物质，形成于太阳系的诞生。
这种新的结构因为缺少空间周期性而不是晶体，但又不像非晶体，准晶展现了完美的长程有序，这个事实给晶体学界带来了巨大的冲击，它对长程有序与周期性等价的基本概念提出了挑战。
准晶体没有周期性，但具有准周期性。
准周期是指质点的排列具有长程有序，但不体现周期重复。
根据三维物理空间中材料呈现的维数，可以把准晶体分为三维准晶体、二维准晶体和一维准晶体。
准晶体的各项性质，取决于其本身的化学组成和内部结构。
一切准晶体的内部结构都共同遵循准晶体的空间准周期格子规律，并由此可以导出一切准晶体所共有的性质。
由于准晶体结构中缺陷极为普遍，准晶体颗粒又十分细小(微米级)，而且还具有一些向晶态、玻璃态过渡的现象，因此准晶体的性质常常偏离理想状态。
理论上的准晶体应有下述一些性质：均一性、各向异性、对称性、自限性、最小内能性、稳定性。
准晶体的性能主要包含以下三方面内容。
第一，导电性能。
与金属的导电性质相比，准晶体显示出一种迥然不同的性质。
准晶体一般有比较大的电阻。
当温度不太高时，准晶体的电阻随温度的增加而减少。
准晶体的电阻与其组分浓度有关。
实验发现，准晶体的导电性能随样品质量的改善反而降低。
准晶体异常的导电性能反映准周期结构对物理性能的影响。
第二，磁性能。
对高电阻的准晶的磁阻，当温度不高时，准晶体磁致电阻情况很复杂，但若温度大于100K时，磁阻将随外场的增加而减少。
这时的Kohler规律不在适用。
准晶体的发现与应用
准晶体的发现与应用周宸材料科学与工程2009051005 2011-12-132011年的诺贝尔化学奖公布之后，科学界“天本地裂”。
来自以色列的科学家丹尼尔·舍特曼因发现准晶体而获奖。
准晶体颠覆了常年来的权威，打破了晶体学固有的格局。
所以，我对准晶体很感兴趣，于是查找了许多文献资料。
准晶体的定义是，物质的构成由其原子排列特点而定。
原子呈周期性排列的固体物质叫做晶体，原子呈无序排列的叫做非晶体，准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。
准晶具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。
1982年，海法市以色列理工学院的丹尼尔•谢赫特曼（Daniel Shechtman）发现，一种铝锰合金好像具有五重对称性，也就是说，当其中的原子形成的图案旋转五分之一周（72度）时，图案看起来基本上是相同的。
其他研究人员都嘲笑该发现，因为当时这种排列被认为在数学上是不可能做到的。
然而，科学家们最终认识到，通过自身的排列，图案达到几乎重复但永远也不能重复时，固体中的原子可以得到这样的对称，变成“准晶体”。
先来讲一下为什么准晶体一直不被认为存在。
就像孩子们的简单游戏所证明的那样，该解释对晶体可能拥有的对称性提出了限制。
假如你想通过排列一模一样的瓷砖来铺盖桌面，利用重复的三角形瓷砖可以完成这项含有技巧的任务，所以有可能制造出具有三重对称性的晶体；利用四边形和六边形瓷砖也可以完成这项任务，因此也可以制造出四重和六重对称性的晶体。
但是，利用五边形瓷砖无法完成这项任务，因为瓷砖之间总会有空隙。
于是，不可能存在具有可重复排列的五重对称性晶体。
因此，准晶体难以存在。
但是，科学家可以这样做。
1982年4月8日上午，在马里兰州盖瑟斯堡市国家标准与技术研究院工作期间，谢赫特曼取了铝锰合金样品，为了防止结晶，他事先将样品速冻，并向其中发射了电子束。
如果这种材料中存在有序排列的原子，电子就会通过原子的表面衍射出来，并且以特定的角度显现出探测器可以辨认的图案。
准晶材料的发现和进展
准晶材料的发现和进展准晶材料是介于晶体和非晶体之间的一类特殊材料，具有无规则的原子排列规律，但却具备晶体材料的一些性质，如高强度和较好的耐磨性。
准晶材料的发现和进展对于材料科学和工程领域具有重要的意义。
下面将从准晶材料的发现、性质以及应用等方面对其进展进行详细介绍。
准晶材料的发现可以追溯到上世纪50年代，当时科学家对于金属结构的研究中发现了一些非晶态相，这些非晶态相具有一定的长程有序性。
到了上世纪70年代，丹麦科学家彼得·汀斯马克（Peter Z. Tien）在对于铝镓合金的研究中发现了第一个具有准晶结构的合金，这个合金的晶格结构具有五角旋转对称性，因此被命名为“五角型准晶体”。
此后，科学家们又陆续发现了其他具有准晶结构的合金，如铝铁硅合金、铝镍钴合金等。
准晶材料具有一些特殊的性质，首先是高硬度和高强度。
准晶材料的原子排列具备无规则的规律，因此具有较高的抗变形能力，可用于制造高强度的结构材料。
其次，准晶材料具有优异的耐磨性。
由于准晶材料的原子排列无规则，使得其表面的摩擦系数较小，能有效抵抗磨损和摩擦。
此外，准晶材料的热导率较低，抗氧化性较好，并且具有较高的化学稳定性，可以应用于高温和腐蚀环境下的材料。
准晶材料的进展为材料科学和工程领域带来了许多重要的应用。
首先，准晶材料被广泛应用于合金材料中。
通过调控合金中的元素比例，可以制备出具备特定准晶结构的合金，这些合金在航空航天、汽车制造等领域具有广泛的应用。
其次，准晶材料还可以用于制备高效的催化剂。
由于准晶材料具有丰富的表面活性位点和独特的电子结构，使得其在催化反应中表现出良好的催化活性和选择性，对于环境保护和能源开发具有重要意义。
此外，准晶材料还可以应用于摩擦学、电子器件等领域。
总之，准晶材料的发现和进展对于材料科学和工程领域具有重要的意义。
它们的独特结构和性质使得其在高强度结构材料、催化剂以及其他领域中得到了广泛应用。
随着对准晶材料的进一步研究和理解，相信准晶材料在更多领域中将发挥更大的作用。
准晶体的结构与物理特性研究
准晶体的结构与物理特性研究准晶体是介于晶体和非晶体之间的一种结构，它包含有细微的周期性结构，但又缺乏完全的周期性。
准晶体的发现使得研究人员更深入地了解了物质的结构和物理特性，并在材料科学等领域有着广泛的应用。
本文将介绍准晶体的结构与物理特性的研究现状。
一、准晶体的结构准晶体的结构与晶体有着相似之处，它们都包含有周期性的结构。
但相较于晶体，准晶体的周期性结构更为复杂和不规则。
早期的准晶体研究发现，准晶体具有一定的对称性，但不完全满足布拉格-费维条件，从而导致准晶体的X射线衍射图案不同于晶体的点阵图案。
随着研究的深入，准晶体的对称性已经有了更准确的描述方法。
例如1985年诺贝尔化学奖得主高斯曼通过分析准晶体的五重旋转对称性得出了120面体准晶体的宏观对称性。
二、准晶体的物理特性准晶体的物理特性不同于晶体，但也不同于非晶体。
因此，它们具有独特的性质。
以下将介绍准晶体常见的物理特性：1. 光学性质准晶体的光学性质因其结构的不规则性而具有较弱的吸收和反射能力。
这些性质使得准晶体在某些领域中具有一定的应用价值。
例如用于涂膜材料或者光学元件中。
2. 电学性质准晶体中存在大量的结构缺陷，这些缺陷导致准晶体中电子的运动受到限制，进而影响其电学性质。
然而，由于准晶体的结构多样，它们也可能显示出不同的电学性质。
例如在纳米晶体材料中，准晶体具有优异的场致发光性质，在某些情况下可以应用于荧光标记材料。
3. 磁学性质与电学性质类似，准晶体的磁学性质也受其结构缺陷影响，使得准晶体的磁学性质与晶体的不同。
有些准晶体的磁学性质随温度的变化呈现出不同的特性，这也为一些应用提供了优越的条件。
4. 力学性质准晶体的结构复杂，具有大量的结构缺陷。
这些缺陷可能导致准晶体表现出与晶体的不同力学性质。
例如，准晶体可以具有提高材料强度和韧性的效果，这在某些材料应用方面也具有较广泛的应用。
三、准晶体的应用由于准晶体具有丰富的结构和物理特性，使得它们在许多领域中都具有潜在的应用价值。
准晶体的研究及其进展
准晶体的研究及其进展准晶体是指在既不具备完全长程周期性，又不具备完全无序性的晶体结构。
自从准晶体被发现以来，其研究在材料科学和固态物理领域引起了广泛的兴趣。
本文将介绍准晶体的研究历程，以及在不同领域中的应用进展。
准晶体的研究历程可以追溯到20世纪60年代末，当时瑞士的丹尼尔·谢菲勒（Daniel Shechtman）在一次电子显微镜下观察到了铝合金中的一种新奇晶体结构。
他发现这种结构具有五重旋转对称性，在晶体学中是不被允许的。
因此，谢菲勒最初的观察被其他科学家认为是错误的。
然而，谢菲勒坚持验证了自己的观察，最终于1982年发表了他的研究成果，证明了准晶体的存在。
准晶体的发现对晶体学领域产生了巨大的冲击，因为它违背了传统晶体学中对晶体的定义和理解。
过去，晶体被认为是具有完美的时间和空间周期性的结构，而准晶体则打破了这种传统的观念。
准晶体的进一步研究揭示了其独特的结构特征。
准晶体结构由于其非传统的周期性，具有多重旋转对称性。
这种多重旋转对称性导致了准晶体表面上出现五边形、八边形和十边形等特殊的几何形状。
这些几何形状在传统晶体中是不被允许的，但在准晶体中却是常见的。
准晶体的应用也在不断发展。
在材料科学领域，准晶体具有多孔性和较低的密度，因此被广泛应用于陶瓷、合金和涂层材料等领域。
准晶体陶瓷具有优异的耐高温性能和高硬度，因此被用于制造高温环境下的零件和陶瓷刀具等。
准晶体合金具有良好的抗腐蚀性能和机械强度，因此被用于航空、汽车和医疗器械等领域。
此外，准晶体的光学性质也使其广泛应用于光学镜片、激光器和光学纤维等领域。
准晶体的研究进展也涉及到理论模拟和计算机模拟等方面。
随着计算机技术的发展，科学家能够通过模拟和计算来研究准晶体的结构和性质。
通过模拟和计算，科学家能够预测准晶体的稳定性、机械性能和光学性质等。
这些理论模拟和计算结果可以指导实验设计和材料制备，加快准晶体材料的研发和应用。
总之，准晶体是一种独特的晶体结构，其研究自发现以来一直在不断发展。
准晶体的发现与研究
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。 现在，在一些Al-Li-Cui、Al-Cu-Fe和Al-Cu-Co等合金系中 已发现了大量热力学稳定的准晶
Al-Cu-Co十次对称棱柱状准晶
人们发现组成为铝－铜－铁－铬的准晶体具有低摩擦系 数、高硬度、低表面能以及低传热性，正被开发为炒菜 锅的镀层。 Al65Cu23Fe12十分耐磨，被开发为高温电弧喷嘴的镀 层。 瑞典一家公司也在一种耐用性最强的钢中发现了准晶体， 这种钢目前被用于剃须刀片和眼科手术用的手术针中。 在生物学中，Bernal 和 Fankuchen (1937) 对纯化的 TMV（烟草花叶病毒）制剂应用了X射线分析法。他们 获得了病毒（粒体）杆宽度的准确估值，而且表明用盐 使病毒沉淀产生的、有规则地进行二维排列的针形体应 为准晶体（paracrystal）而非真晶体。
1987年
•法国和日本科学家成功地在实验室中制造出了准晶体结构。
2009年
•科学家们在俄罗斯东部哈泰尔卡湖获取的矿物样本中发现了天然准晶体的“芳踪”，这种 名为icosahedrite的新矿物质由铝、铜和铁组成;瑞典一家公司也在一种耐用性最强的钢中 发现了准晶体，这种钢目前被用于剃须刀片和眼科手术用的手术针中。
背景介绍 准晶体概述 发展历程及研究现状 准晶体的应用
2011诺贝尔化学奖得主：Daniel Shechtman
“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。对此，我并不在意，我深信自己是对的， 他们是错的。” ——Daniel Shechtman 1982年4月8日，41岁的Shechtman正在美国霍普金 斯大学从事研究工作，他发现的“准晶体”原子结构打 破了传统晶体内原子结构必须具有重复性这一黄金法则， 在科学界引起轩然大波。来自主流科学界、权威人物的 质疑和嘲笑不断向他涌来。 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。即便如此， 谢赫特曼也并未动摇自己的信念。 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 Shechtman的发现。
准晶体的发现及意义
准晶体的发现及意义准晶体是一种介于晶体和非晶体之间的材料，它具有部分有序的结构。
准晶体的发现对材料科学和材料工程领域有着重要的意义。
本文将从准晶体的发现历史、准晶体的结构和性质、准晶体的应用等方面进行探讨，并阐述准晶体的意义。
一、准晶体的发现历史准晶体的发现可以追溯到20世纪70年代末80年代初，当时石英晶体的研究者通过电子显微镜观察到了一些有着五角或十边形对称的结构，但其结构却不遵循晶格对称性规律。
这些结构在当时被称为“假晶体”或“错误晶体”，直到1984年，丹尼斯·格拉迪赛夫和保罗·施泰因哈特在对一种金银合金的研究中发现了具有五角对称性的结构，他们将其命名为“准晶体”，并详细描述了其结构和性质。
二、准晶体的结构和性质准晶体的结构既不是完全有序的晶体结构，也不是完全无序的非晶体结构，而是介于两者之间的部分有序的结构。
准晶体的结构特点是具有非常复杂和多样性，它包含了晶体和非晶体中常见的一些几何元素，如孔隙、晶胞、聚集体等。
准晶体的结构有时还会出现五角对称、十边形对称或其他非晶体无法呈现的对称性。
这种特殊的结构赋予了准晶体独特的物理和化学性质。
准晶体具有许多独特的性质，例如低摩擦系数、低导热系数、高抗腐蚀性、高硬度等。
这些性质使得准晶体在材料科学和工程领域具有广泛的应用前景。
三、准晶体的应用1.复合材料领域：准晶体可以被用作增强材料的填充剂，提高复合材料的力学性能。
它的高硬度和高抗腐蚀性使其成为一种理想的增强材料。
2.表面涂层技术：准晶体可以通过物理气相沉积、磁控溅射等技术制备成涂层，提高材料的表面硬度和抗磨损性能。
3.催化剂和储氢材料：准晶体也可以作为催化剂的载体，提高催化剂的效率和稳定性。
此外，准晶体内部的孔隙结构可以用来储存氢气，有望应用于氢能源储存领域。
4.电子器件领域：准晶体具有比晶体更低的导热系数，可用于制备热导率较低的电子器件，降低热电偶效应。
此外，准晶体还在纳米技术、强化材料的设计等领域有着广泛的应用前景。
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04
准晶的未来展望
准晶的未来展望
• 准晶是一种特殊的固体物质，其结构表现出长程有序但缺乏 平移对称性的特点。自从准晶被发现以来，其独特的物理性 质和潜在的应用价值一直吸引着科学家的关注。为了进一步 推动准晶领域的发展，我们有必要对准晶的未来展望进行探 讨。
THANKS
感谢观看
• 准晶是一种特殊的固体物质，它们具有长程有序的结构，但缺 乏平移对称性。这意味着准晶呈现出一种介于晶体和非晶体之 间的特性。下面将详细介绍准晶的形成机制、发现历程以及在 自然界和实验室的分布。
03
准晶的研究与应用
准晶的科学研究
晶体结构研究
准晶作为一种非周期性晶体，其独特的晶体结构一直是科学研究的重点。通过 对准晶的结构进行深入的研究，有助于我们更好地理解晶体生长的规律和机制 。
耐腐蚀材料
准晶具有良好的耐腐蚀性，可应用于 化工、海洋工程等领域。在恶劣环境 下，准晶材料能够保持较好的稳定性 和耐腐蚀性。
准晶在其他领域的应用前景
生物医学领域
准晶材料在生物医学领域具有潜 在的应用价值。其生物相容性和 独特的物理性质有望用于药物载 体、生物成像等方面。
光学领域
准晶具有独特的光学性质，如非 线性光学效应。这些性质使得准 晶在光学器件、光子晶体等领域 具有一定的应用前景。
物理性质研究
准晶表现出许多独特的物理性质，如导电性、热传导性、光学性质等。这些性 质与准晶的结构密切相关，通过对这些性质的研究，可以进一步揭示准晶的内 在特性。
准晶在材料科学中的应用
超硬材料
准晶具有高的硬度和耐磨性，可以作 为超硬材料应用于切削工具、轴承等 领域。其优异的力学性能可以提高工 具的使用寿命和性能。
准晶简介
准晶体 (2)
准晶体简介准晶体是一类介于晶体和非晶体之间的特殊结构物质。
与晶体具有一定的有序性，但又不完全符合晶体的周期性。
准晶体的发现在材料科学领域引起了广泛的研究兴趣。
本文将介绍准晶体的定义、发现历史、结构特点及应用领域等相关内容。
定义准晶体是指具有长程有序但不具备完全晶体对称性的结构。
相比于晶体的周期性排列，准晶体的周期性具有更高的复杂性。
准晶体的单位结构具有多种不同的对称元素，如旋转对称、镜像对称和滑移对称等，使得准晶体具有多种不同的结构。
发现历史准晶体的发现可以追溯到20世纪50年代末期。
1961年，丹麦科学家贝尔内尔斯（Shechtman）在进行合金研究时，观察到了一种五角对称的晶体衍射图样，该发现与传统晶体的对称图案有所区别。
然而，贝尔内尔斯的发现一度受到了科学界的质疑和争议，被认为是错误观察结果。
经过多年的研究和探索，贝尔内尔斯的发现最终得到了确认，并于2011年获得了诺贝尔化学奖。
结构特点准晶体的结构特点是其最具有特色的特征之一。
准晶体的周期结构中存在不成比例的单位。
这些单位覆盖了空间，通过旋转、滑移和倾斜等运动产生多种对称元素。
准晶体的对称性和周期性都是以高度复杂的方式出现的，使得准晶体呈现出丰富的结构多样性。
准晶体的结构通常可以通过X射线衍射、透射电子显微镜等实验技术进行表征。
通过这些实验，可以建立准晶体的空间群、晶胞参数等参数，揭示准晶体的周期性和有序性。
应用领域准晶体由于其特殊的结构和性质在多个领域具有广泛的应用潜力。
在材料科学领域，准晶体被用于开发新型合金材料。
准晶体合金具有较高的强度、硬度和耐磨性等优异性能，广泛用于制造航空航天、汽车和电子设备等领域的高性能零件和工具。
准晶体还在表面涂层技术中得到应用。
利用准晶体的特殊结构和性质，可以制备出表面硬度高、磨损性能优良的涂层材料，用于提高复合材料和金属零件的表面性能和耐久性。
此外，准晶体还具有光学、电学和磁学等性质，被应用于光学器件、传感器、电子器件以及催化剂等领域。
准晶体“改写”了教科书
1945年7月16日，人类历史翻开了令人不安的新篇章——这一天，美国在新墨西哥州的一个沙漠试验场引爆了第一颗原子弹，这意味着人类掌握了迄今为止威力最大的武器，具有了快速摧毁一个城市乃至一个国家的能力。
不过，在这场大型爆炸背后，还诞生了一种不起眼的新材料，那时人们还不知道，这种新材料会给我们的生活带来巨大的改变。
“准科学家”发现“准晶体”出生于以色列的达尼埃尔·谢赫特曼从小就很喜欢科学。
7岁时，谢赫特曼收到了祖父送的生日礼物——放大镜，从此，他热衷于拿着放大镜观察一切细小的事物，并开始了探索微观世界的一生。
长大后，谢赫特曼在以色列理工学院一直从本科读到博士，博士毕业后，他在美国约翰·霍普金斯大学做研究。
1982年，年仅41岁的谢赫特曼已经成为美国科学界瞩目的年轻有为的材料学家。
可是，谢赫特曼没想到，一个新的发现让他退步成了“准科学家”。
1982年4月的一天，谢赫特曼在实验室用电子显微镜观察一种铝锰合金时，发现了一种具备“五重旋转对称”属性的晶体。
在这之前，学界普遍认为，所有晶体都是以“规律重复的周期性”结构存在的，而根据晶体学原理，周期结构只有一、二、三、四、六重对称性，因此五重旋转对称的晶体不应该也不可能存在。
谢赫特曼对自己的发现大感惊异，并将这种物质取名为“准晶体”。
可是，当他将自己的发现告知其他同事时，他们并不相信他，实验室主管甚至扔给他一本晶体学教材，要求他再重新学习基础课程。
两次获得诺贝尔奖的美国化学家莱纳斯·鲍林不相信准晶体的存在，并嘲讽谢赫特曼为准科学家：“世界上没有准晶体，只有准科学家。
”更糟糕的是，由于谢赫特曼不放弃对准晶体的研究，他最终被约翰·霍普金斯大学解雇了。
即便如此，谢赫特曼仍然坚持自己的发现，他将自己的研究成果发表在一些期刊上，向科学界描述了制造准晶体的方法，一些国家的研究人员陆续在实验室中以谢赫特曼描述的方法制造出不同物质的准晶体，有些研究人员还开发出了新的制造方法。
准晶体 简介
1984年底，D.Shechtman等人宣布，他们在急 冷凝固的Al-Mn合金中发现了具有五重旋转对称但 并无平移周期性的合金相，这种长程有序但无平移 对称性的结构被称为准晶体。 1985年初，郭可信等人在Ti-V-Ni合金中发现了 二十面体准晶体。 当时人们普遍认为 ，自然界中不可能存在具有 谢赫特曼发现的那种原子排列方式的晶体。 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。 2009年，科学家在俄罗斯的矿物中发现了准晶体， 瑞典一家公司在一种耐用性最强的钢中发现了准晶体， 这种钢目前被用于剃须刀片和眼科手术用的手术针中。
准晶的组成与结构
组成：
从组成上看，至今发现的准晶绝大多数由金属组成。
结构：
从结构上看，准晶长程有序但无平移对称性。 介于玻璃（短程有序，长程无序）和晶体（长程有序，且 有平移对称性）。
金属玻璃 金属准晶体 金属晶体
准晶体立体模型 天准晶矿物 准晶体原子结构模型
准晶体平面堆砌图
彭罗斯贴砖图 铝锰合金形成的准晶体
准晶体的分类
准晶没有平移周期性，但具有准周期性，准周期性是 质点的排列具有长程有序，但不体现周期重复。 根据在三维物理空间中材料呈现准周期性的维数， 可以把准晶分为三维准晶、二维准晶和一维准晶。 三维准晶：有二十面体准晶和立方准晶两大类。 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 准周期分布的。 根据准晶在热力学上的稳定性，可将其分为稳定准晶 和亚稳定准晶两大类。至今发现的近200种准晶中，有七 十多种是热力学稳定的。
合成制备：
含Mn、Fe、Cr 10-14％的Al金属熔体急冷， 一步转化成为介稳的固体。 生成过程包括成核和长大两个过程。
准晶_精品文档
准晶什么是准晶？准晶（Quasicrystal）是一种特殊的晶体结构，不同于常见的周期性晶体。
它以自我复制的方式组成，具有类似于晶体的长程有序性，同时又有类似于非晶体的无规则性。
准晶的发现引起了科学界的广泛关注和研究，对固体物理学和材料科学有着重要的意义。
准晶最早由以色列科学家丹·舍帕斯于1982年发现。
他发现了一种由铝、锰和金属硅组成的合金，其X射线衍射图谱显示出非常奇特的衍射斑点图案。
这种图案既不是晶体的经典单一斑点，也不是非晶体的连续衍射环，而是由固定的五角星图案组成。
这一发现颠覆了当时对晶体结构的认识，开启了准晶研究的新篇章。
准晶的结构特点准晶的结构特点可以用“离子包络模型”来描述。
这个模型假设准晶中的原子排列类似于离子包络，由环绕原子球组成。
准晶的结构可以通过一组向量来描述，这组向量被称为“母基矢”。
准晶的母基矢不是简单的周期性晶体的矢量，而是具有非周期性和非整数的关系。
这种非晶体的特性使准晶的结构具有五角星、八角星等非传统形状的对称性。
准晶的结构还具有“五重旋转对称性”，即它的结构在沿着某个固定轴旋转180度时仍保持不变。
准晶的应用准晶的独特结构特点使其具有一些特殊的物理性质和应用价值。
首先，准晶具有低摩擦系数和低热导率的特点，使其在润滑材料和热障涂层等领域有着广泛的应用。
其次，准晶还具有高硬度和高强度的特点，与金属和陶瓷相比具有更好的机械性能。
因此，准晶在材料加工、汽车制造和航空航天等领域的应用也越来越广泛。
此外，准晶还具有优异的电学和光学性能，使其在电子器件和光学器件等领域具有潜在的应用前景。
准晶在导电性能、光学透明度和磁学性能方面都具有特殊的优势，因此对其的研究和应用也成为当前热门的科研领域之一。
准晶的未来对准晶的研究还处于相对初级的阶段，很多问题仍然待解决。
当前的研究重点主要集中在准晶的合成方法、结构与性质之间的关系以及准晶的制备工艺等方面。
随着科学技术的不断进步，相信对准晶的认识会进一步深化，其潜在的应用领域也将继续扩展。
关于准晶体的一些认识与启发
关于准晶体的一些认识与启发早期晶体学家们都根深蒂固地认为，五重或七重以上的对称不符合自然规律。
因为其中原子间的距离长短不一，这个样式无法实现旋转对称，由此很容易就充分证明了在晶体中找不到五重对称，依此，七重对称或者更高重的对称都是找不到的。
1982年4月的那个早晨，以色列理工学院的Dan Shechtman 却发现在他电子显微镜下面，一个衍射图案可以安然转过的1/10个圆周（也就是36）依旧得到原来样式，也就是说，发现了十重对称，不敢相信自己所看到的，他在自己的实验记录本上写下了“10 Fold???”[1]。
进一步深入研究图像后他发现这是一种具有5次对称取向有序而没有周期平移有序的封闭的正二十面体相（如图1所示），在那个时期，这项工作绝对是颠覆性的了，以至于相关论文1984年夏天被Journal of Applied Physics断然拒掉，还好，Physical Review Letters 没做同样的武断之事，随后就发表了他的文章[2,3]。
图1：二十面体相对称元素的立体投影图[2]Shechtman发现的固体形态被命名为准晶（quasicrystal），以示与传统晶体的区别，并被认为是介于晶体和非晶体之间的一种形态。
准晶体具有与晶体相似的长程有序的原子排列；但是准晶体不具备晶体的平移对称性。
根据晶体局限定理（crystallographic restriction theorem），普通晶体只能具有二次、三次、四次或六次旋转对称性，但是准晶的布拉格衍射图具有其他的对称性，例如五次对称性或者更高的如六次以上的对称性[4]。
在此准晶发现之前之前，科学界对固态物质的认识仅限于晶体与非晶体，晶体内原子应呈现周期性对称有序排列，非晶体内原子呈无序排列。
准晶体的发现使得固体物质中一种“反常”的原子排列方式跳入科学家的眼界。
从此，这种徘徊在晶体与非晶体之间的“另类”物质闯入了固体家族，并被命名为准晶体。
准晶及准晶材料概览
下Fibonacci数列，同样具有自相似性。
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二维Pentaplexity
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是否具有“三维Penrose”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。
化学与分子工程学院准晶体及Leabharlann 晶体材料概览化学与分子工程学院
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。
• 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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Pentaplexity分形结构
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一些比较重要的准晶组成、结构。发现年代简表
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两个现在比较热门的 研究焦点
1.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。
准晶体的发展及其应用
03
Part three
准晶体的性质和性能
准晶体与晶体的对比
晶体的定义：晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固
体；或者说,晶体是具有周期平移格子构造的固体。
二者对比：
准晶体结构虽然不具备经典晶体学意义上的平移周期，但它却 有自相似性准周期。 准晶体是具有准周期平移格子构造的固体。准晶体结构具有数 学上严格的自相似性准周期及统计意义上的无规则自相似准周期。 准晶体不具有传统晶体的周期性，却在长程上有序。
钬-镁-锌十二面体准晶
Penrose拼图。可以看到平面中仅由 宽窄两种菱形构成，中间的球也由这 两种菱形构成
The end,thank you!
均一性 即准晶体在其任一部位上都具有相同性质。 各向异性 即准晶体的性质因（如外形上的相同晶面、晶棱，内部结构中 的相同网面。行列或原子离子等），能够在不同的方向或位置上有规律地重 复出现。
自限性：即晶体、准晶体都能自发地形成封闭的几何多面体外形。 最小内能性：即晶体、准晶体在相同热力条件下，较之于同种化学成分的气 体、液体及非晶质体而言，准晶体内能较小，晶体内能最小。 稳定性：对于化学组成相同，但处于不同物态下的固体物质一晶体最为稳定， 准晶体稳定性次之。（准晶体不可能自发地转变为其他物态）
准晶体的发展及其应用
目录
1 2 3 4 5 “反常晶体”的发现 什么是准晶体 准晶体的性质和性能 准晶体的制备 准晶体的应用
01
Part One
“反常晶体”的发现
“反常晶体”的发现
准晶体被发现的真正实验证据是1982年以色列科学家谢赫特曼采用急速冷凝 法研究Al-Mn 合金时，在电子显微镜下观察到的一幅违反自然“规则”的图画。 这幅图画竟然出现10次对称性，而其正空间中可以对应于5次对称性。
准晶体的发展及其应用
准晶体的发展及其应用准晶体是一种非晶体和晶体之间的结晶态结构，具有部分晶体和部分非晶体的特性。
准晶体的发展始于20世纪70年代，当时人们开始对金属合金的统计构造进行研究。
准晶体的发展受益于X射线衍射实验技术的进展，研究人员发现了很多金属合金的准晶体结构。
准晶体的应用范围非常广泛，涉及到材料科学、化学、物理学等多个领域。
准晶体的发展史可以追溯到1980年代初，当时法国科学家Daniel Shechtman发现了一种自旋切变准晶体。
这项发现被认为是科学界一个重大突破，随后被授予了诺贝尔化学奖。
自那以后，准晶体的研究得到了广泛的关注和深入的探索。
准晶体的结构特点主要包括五角星、六角星等复杂的几何图形。
正因为这种特殊的结构，准晶体具有一些独特的性质和应用价值。
例如，准晶体具有低的导热系数和低的电导率，这使得准晶体在热障涂层材料和隔热材料中有广泛的应用。
此外，准晶体具有良好的抗磨损和耐腐蚀性能，可以用于生产高硬度的刀具和耐腐蚀的材料。
除了上述应用外，准晶体还在光学领域中有着重要的应用。
由于准晶体的特殊结构，它们显示出一些特殊的光学效应，如布拉格散射和布拉奇光学效应。
这些光学效应为准晶体在光学通信、光学调制和激光技术等领域的应用提供了潜在的可能。
准晶体还可以用于电子封装材料和光电子封装材料中。
准晶体的非晶态结构使其在电子封装中具有优良的导热性能和机械性能，能够有效地降低温度应力和热膨胀系数不匹配引起的热疲劳问题。
此外，准晶体还可以用于合金材料的增强。
通过将准晶体引入到合金中，能够显著提高合金的强度和硬度，并且减少晶界的存在，提高合金的抗腐蚀性能。
准晶体的应用还在不断扩展，例如在能源存储领域中，准晶体材料可以作为电池材料和储氢材料。
此外，在生物医学领域中，准晶体也被用于制备生物传感器和人工骨骼等器械。
总的来说，准晶体作为一种新型的结晶态结构，具有独特的物理性质和广泛的应用前景。
随着准晶体研究的不断深入和技术的不断进步，相信准晶体将会在材料科学和工程领域发挥更重要的作用。
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准晶体的发现及意义
提要：
准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体，具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。
1982年准晶体的发现，给晶体学界带来了巨大的冲击，此后的数十年里，人们对于准晶体的探索从未停止，2009年，自然界发现天然准晶体化合物，时至今日，准晶体的原子排列组成与结构规律尚未被完全解析。
正文：
原子呈周期性排列的固体物质叫做晶体，原子呈无序排列的叫做非晶体，准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。
准晶体具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。
物质的构成由其原子排列特点而定[1]。
以色列科学家丹尼尔-谢赫特曼（Daniel Shechtman）因发现准晶体而一人独享了2011年诺贝尔化学奖：2011年，70岁的谢赫特曼将获得1000万瑞典克朗(约合140万美元)的奖金，他发现了准晶体，这种材料具有的奇特结构，推翻了晶体学已建立的概念。
许多年以来，凝聚态物理学家们仅仅关心晶态的固体物质。
然而，在过去的几十年，他们逐渐把注意力转向“非晶”材料，如液体或非晶体，这些材料中的原子仅在短程有序，被称为缺少“空间周期性”。
准晶体的结构在20世纪之前就已经被建筑师熟知，例如在伊朗伊斯法罕的清真寺，上面瓷砖的图案就是按照准晶样式排列。
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，例如任意形状的四边形或者正六边形，但是当增加拼图单元的种类时，就能够构造出更多的拼满一个平面的方法。
两年后，王浩的学生Robert Berger构造了一系列不具有周期性的拼图方法。
之后铺满平面所需要的拼图种类越来越少，1976年Roger Penrose构造了一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。
1982年4月8日上午，在马里兰州盖瑟斯堡市国家标准与技术研究院工作期间，谢赫特曼取了铝锰合金样品，为了防止结晶，他事先将样品速冻，并向其中发射了电子束。
如果这种材料中存在有序排列的原子，电子就会通过原子的表面衍射出来，并且以特定的角度显现出探测器可以辨认的图案。
谢赫特曼看到的衍射图案不同于以往看到的任何图案：它是亮点构成的同心圆，每个圆圈内有10个点。
这些圈符表明，不可能的对称性是存在的。
谢赫特曼用尽一切办法，一再检查自己的实验，但是，都得到了一样的结果[2]。
其他研究人员都嘲笑该发现，因为当时这种排列被认为在数学上是不可能做到的。
然而，科学家们最终认识到，通过自身的排列，图案达到几乎重复但永远也不能重复时，固体中的原子可以得到这样的对称，变成“准晶体”，这种新的结构因为缺少空间周期性而不是晶体，但又不像非晶体，准晶展现了完美的长程有序，这个事实给晶体学界带来了巨大的冲击，它对长程有序与周期性等价的基本概念提出了挑战。
1984年底，D.Shechtman等人宣布，他们在急冷凝固的Al Mn合金中发现了具有五重旋转对称但并无平移周期性的合金像，即20面体准晶，这一准晶的拼图形式由两种不同的菱形组成。
这篇文章发表于1984年，标题为“一种长程有序但是不具有平移对称性的金属相”（Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry）。
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。
在晶体学及相关的学术界引起了很大的震动。
不久，这种无平移周期性但有位置序的晶体就被称为准晶体。
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：科研人员在意大利佛罗伦萨自然科学史博物馆所收藏的一块三叠纪（距今2亿-2.5亿年）古老岩石中发现了天然准晶体化合物，该化合物由铝铜铁三种元素构成，为Al63Cu24Fe13组成的准晶颗粒。
和实验室中合成的一样，这些颗粒的结晶程度都非常好其原子排列打破了一般晶体的对称性规律，是人类自然界中发现的首例天然准晶体。
此项研究成果已发表于《科学》杂志。
有关准晶体的组成与结构的规律仍在研究之中。
有关组成问题值得重视的事实如：组成为Al70Pd21Mn9的是准晶体而组成的Al60Pd25Mn15却是晶体。
有关结构问题，人们普遍认为，准晶体存在偏离了晶体的三维周期性结构，因为单调的周期性结构不可能出现五重轴，但准晶体的结构仍有规律，不像非晶态物质那样的近距无序，仍是某种近距有序结构。
尽管有关准晶体的组成与结构规律尚未完全阐明，它的发现在理论上已对经典晶体学产生很大冲击，以致国际晶体学联合会最几近建议把晶体定义为衍射图谱呈现明确图案的固体（any solid having an essentially discrete diffraction diagram）来代替原先的微观空间呈现周期性结构的定义。
在实际上，准晶体已被开发为有用的材料。
例如，人们发现组成为铝－铜－铁－铬的准晶体具有低摩擦系数、高硬度、低表面能以及低传热性，正被开发为炒菜锅的镀层；Al65Cu23Fe12十分耐磨，被开发为高温电弧喷嘴的镀层。
但是准晶体在很大程度上仍然是个谜。
因为人类还未想出一个个原子是怎么排出这样的远程结构的。
“这些结构的产生不可能是简单地基于某些褊狭的规则，一定存在某种微妙的形成原理，”彭罗斯说。
斯坦哈特同意彭罗斯的看法。
“我们运用在晶体上的数学技法，在准晶体上行不通，”他说，“我们无法很好地预测准晶体的特性。
”准晶体存在于大自然中。
三年前，在俄罗斯东部的科里亚克山脉曾经发现过一种准晶体矿物。
准晶体也存在于世界上一
种最为耐用的钢材中。
这种钢材是由瑞典的一家公司制造的，用于刀片和手术针上。
目前，准晶体开始在其他的工业领域找到用武之地，例如：平底锅的不粘层，发动机的隔热层，以及回收废热用的热电材料等。
“现在，谢赫特曼的准晶体广泛地用于改善工程材料的机械特性，而且准晶体是结构科学中一个全新分支学科的基础。
”牛津大学的安德鲁•古德温（Andrew Goodwin）在发表声明时说，“如果说他的研究中存在一个值得我们吸取的特殊教训，那就是不要低估大自然本身的想象力。
”至于晶体的定义，国际晶体学联合会于1992年把其从“规则有序而重复排列的原子构成的固体”改为“衍射图案基本明确的任何固体”[3]。
准晶体的发现可以说是既在意料之外又在情理之中。
虽然德国的数学家已经论证了所谓晶体中不会存在5次和6次以上的旋转轴，为了满足晶体的平移对称性，但是他的依据是理想晶体。
我也一直认为准晶体的存在是自然界中多样和包容的体现，是完全合情合理的。
在材料中准晶具有高硬度、耐蚀、耐热等特点,特别适合于作韧性基体材料中的强化相。
镁合金中准晶的存在可制备出准晶相增强高性能镁合金及镁基复合材料[4]。
准晶体化合物比由同类元素构成的晶体化合物更加坚固且难以分解，目前该类化合物大都为铝合金，广泛应用于需要坚固金属的工业领域，还有一些准晶体化合物十分“平滑”，例如聚四氟乙烯（Teflon）,用于制造汽车活塞等。
现在，准晶体已在很多应用领域“大展拳脚”，可用来制造不粘锅、发光二极管、热电转化设备等。
[1] /view/656900.htm
[2] 胡德良/ 编译《见怪不怪准晶体》Nature & SciTech No. 188 November-December ,2011
[3] 新华社《谢赫特曼因发现准晶体独享2011 年诺贝尔化学奖》, 2011. 11
[4] 李日升, 发现准晶体的启示, 2011.
准晶体的发现，是一个划时代的发现，它改变了我们生活的很多方面，并且还有很多功用有待我们人类去开发利用。
发现它的科学家，丹尼尔·舍特曼，是一个伟大的真理探寻者，他不惧权威，踏实认真的做自己的实验，坚信自己的结论，并且顶住当时几乎是全世界科学家对他的无情嘲笑，发表自己的观点。
可以说，他的天才学识和自身的努力以及上天的眷顾，使他发现了准晶体；而他的勇气，自信和面对嘲笑仍然坚持的信念，却使世界知道了准晶体。
因此，我们是否要对此有所感悟呢？我们应该向这位所谓的“准科学家”好好学习！。