准晶体的发现及意义

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.