准晶材料的发现和进展
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Materials Science and Engineering 294–296 (2000) 108
大连理工大学
Prof. C. Dong Ti-Zr-Ni/Fe/Co •I-phase formation • Bulk materials •Mechanical properties
[1] J. Non-Cry. Sol. 334 (2004) 223 [2] 金属学报，40（2004）：62
➢ "Every citizen of Israel is happy today and every Jew in the world is proud," Netanyahu said.
“现在，数以千计的科学家在我开 辟的领域作研究，我确定，每个人 都把这个奖项当作他们获得的成就， 这是他们应得的，如果没有这些科 学家，这项研究不会取得现在的成 绩。”
正二十面体准晶TEM衍射 * **
高分辨电镜照片 正20面体
第四届亚洲准晶会议 2006-09，25-28 西安
十多个国家，50余人 1，准晶的发现 2, 结构表征 3, 性质、性能 4, 准晶应用
稳定的Al、Mg基准晶
図 Al-Ni-Co正10角形準結晶の ADF-STEMによる原子像。
十二次对称性的发现
Surface Science Volume 156, Part 1, 3 June 1985,
Fra Baidu bibliotek石政 勉
Pages 241-248
现：北海道大学
1985年Ishimasa等人报道了 Ni-Cr颗粒中的十二次对称性
Ti-基准晶合金
郭可信
中科院金属所，物理所 研究员
1984-1985年：Ti-V-Ni, Ti-Fe, Ti-Co “五次对称性及Ti-Ni准晶相的发现与研究” 在1987年国家自然科学一等奖。
准晶获奖发布会
Israeli scientist Daniel Shechtman, right, addresses the media during a news conference at the Haifa Technion, Israel, on Wednesday, Oct. 5, 2011.
1, 稳定准晶的发现
2, 准晶形成理论
3, 准晶应用
日本东北大学金属材料研究所 日本金属材料技术研究所 日本东北大学多元研究所
2010.6北海道会议
Materials physics Research at Washington University
Prof. K.F. Kelton
Ti-TM-(Si), Ti-Ni-Si-O, Ti-Zr(Hf)-Ni(Fe,Co) I-Phase alloys • Forming ability • Structure • Hydrogen Storage capacity
Princeton University USA
Denis Gratias
Steinhardt, Paul J.
John W. Cahn
准晶的发表
Pauling and Shechtman 的论战
“ Danny Shechtman is talking nonsense. There is no such thing as quasicrystals, only quasi-scientists.”
结晶
准晶
非晶
结构
对称性
波函数
线性 长程
特殊 临界
短程 局部
结晶和准晶的差别
晶体的定义被改写： 以前，为整齐排列、不断 重复的三维模式；现在， 晶体是一种衍射图谱呈现
明确图案的固体。
正二十面体准晶
结晶和准晶的差别
80年代物质科学的三大发现
2011年诺贝尔化学奖
准晶合金的发现
2011诺贝尔颁奖
Japanese journal of applied physics. Pt. 2, Letters 26(9), L1505-L1507, 1987-09-20
稳定准晶的发现
1, 稳定准晶的发现 2, 准晶形成 3, 准晶特性
2010.6北海道准晶会议
日本东北大学金属材料研究所 日本金属材料技术研究所 日本东北大学多元研究所
准晶的发现 准晶发现 Prof. Dany Shechtman
Johns Hopkins University,
1984年, Shechtman等在寻找既轻又 硬的高强度急冷的Al-Mn合金.
液体急冷
准晶的发现
Al6Mn 1 mm
获得了具有五重对称, 斑点明锐的电子衍射 图.
准晶不被认可
"I told everyone who was ready to listen that I had material with pentagonal symmetry. People just laughed at me," Shechtman said in a description of his work released by his university.
(1) A tetrahedron placed on every face of an icosahedron (which itself can be thought of as a packing of 20 tetrahedra). Number of vertices 1 + 12 + 20 (2) Thirty more tetrahedra, over the icosahedron edges, completing the rings of five tetrahedra around the icosahedron edges. No new vertices. (3) Finally, a five-ring can be placed in each of the concavities. 12 new vertices. Total: 130 tetrahedra, 1 + 44 vertices (atom positions).
一、二维准晶合金
张泽
1988年5月至1990年12月张院士以客座科学家身份在德国核研究 中心固体物理所工作，其间他在铝铜钴合金的二维准晶研究中发 现一维准晶，在Al-Cu-Fe合金的三维准晶相变研究中发现二维准 晶。特别是，他在世界上首次发现了铝铜钻十次对称准晶中的位 错及层错；首次用常规衍射衬度方法系统地研究了五次对称准晶 的位错；在世界上首次发现十次对称准晶中的“位错”等缺陷，并 在国际上率先开展了系统的观察和研究。提出准晶中位错研究的 新理论。两篇关于准晶中缺陷研究的代表性论文在发表后三年内 被引用110余次，并被国际学术会议特邀报告人在报告中多次引 用。
应用化学前沿
准晶材料的发现和进展
内容提要
发现
过程
特性
前景
启迪
元素周期表
传统晶体学
➢ 根据点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归 属于7大晶系。 ➢ 按照“每个阵点的周围环境相同“的要求，布拉菲
（Bravais A．）用数学方法推导出能够反映空间 点阵全部特征的单位平面六面体只有14种，这14种 空间点阵。
准晶构造
Octagonal(八角形的) Decagonal (十边形的) Dodecagonal(十二角形的)
高分辨电镜照片 正20面体
Paul J. Steinhardt
20面体准晶模型
20面体准晶特征
两个四边形的边长有两种取值，之比为1.618
20面体的生长
The Bergman cluster built from almost regular tetrahedra.
晶体学基础
基本概念：对称性：只存在1,2,3,4,6次轴 晶体学所描述的对象： 原子排列方式（简化；理想；几何）=》周期。 晶体结构＝结构单元（单胞）+ 单胞周期平移
石墨
金刚石
C60
碳管
石墨烯
结晶的分类
A typical macroscopic sample contains 1023 atoms
* Phil. Mag. A, 52 , 1985：L49 * Phil. Mag. A, 54 , 1986：L83
叶恒强
Ti基准晶的发现，创造了中国科学的 一个奇迹，被认为是真正达到国际一流水 平的研究，这项研究不仅培养了一大批青 年科学家，还“培养”了四位中国科学院 院士，他们是叶恒强、李方华、张殿林和 张泽院士。
美国工程院院士，欧洲科学院院士，以色列科学院院士
现任以色列理工学院杰出教授， 美国菲利普托比亚斯材料科学列席教授； 美国爱荷华州立大学杰出 日本东北大学杰出教授 河南理工大学兼职教授 北京工业大学兼职教授
获奖（10多项） 诺贝尔化学奖（准晶体的发现）（2011年） Wolf奖（物理）（1999年） 以色列奖（物理）（1998年 Weizmann科学奖 瑞典皇家科学院Aminoff奖）
1985年，Pauling的质疑文章发在Nature上。 1986年，Shechtman通过精确的观察否定了这 些质疑，其反驳文章也发在Nature上。
1990年，Linus Pauling向Daniel伸去了橄榄枝， 邀请他共同写篇文章 “Shechtman-Pauling,” on quasiperiodic crystals，Daniel回信，很高兴写 这个东西，不过Linus要首先承认准晶是存在 的；Linus回复，那这篇共同署名的文章时机 还不成熟。
For months he tried to persuade his colleagues of his find, but they refused to accept it. Finally he was asked to leave his research group, and moved to another one within the institute.
发现由Cd-Yb两种元素构成 的稳定准晶相，这些稳定准晶体 具有极大的科学价值，他的这一 科研成果发表在2000年11月30日 出版的英国《自然》杂志上。
天然准晶
2009年，在俄罗斯一条河流内的矿物样品中发现了自然 生成的Al63Cu24Fe13准晶体
Daniel Shechtman简历
个人经历 1941年出生于特拉维夫（英属巴勒斯坦托管地），以色 列材料科学家， 以色列理工学院取得机械工程学士后，又接连取得材料 科学硕士与博士学位。 美国能源部埃姆斯实验室(Ames Laboratory)助理、艾奥 瓦州立大学材料科学教授。
2011年诺贝尔物理学奖、 化学奖、生理学或医学奖、 文学奖以及经济学奖颁奖 仪式在瑞典首都斯德哥尔 摩音乐厅举行。瑞典王室 成员、政界领导人及其他 各界人士共1500余人出席。 12月10日是瑞典工业家诺 贝尔的逝世纪念日，每年 的诺贝尔奖颁奖典礼都安 排在这一天举行。除和平 奖在挪威首都奥斯陆颁发 外，其余奖项均在瑞典首 都斯德哥尔摩颁发。图为 获奖人在领奖台上就坐。
1984年，投‘Journal of Applied Physics’ 编辑的回信：“rejecting the article as not being of interest to physicists“
准晶的确认
法国CNRS冶金化学研究所
1984年秋，Gratias在加州大学的一次理论 物理讨论会中听了Steinhardt的报告
准晶的结构
a．一维准晶 这类准晶相常发生于二十面体相或十面体相 与结晶相之间发生相互转变的中间状态，故属亚稳状态。 b．二维准晶 它们是由准周期有序的原子层周期地堆垛而 构成的，是将准晶态和晶态的结构特征结合在一起。 c．三维准晶 可分为A和B两类。A类以含有54个原子的二 十面体作为结构单元；B类则以含有137个原子的多面体为 结构单元；A类二十面体多数是铝-过渡族元素化合物，而 B族极少含有过渡族元素。
稳定准晶的发现
1987年法国和日本的同行终于发现了足够大的准晶来做X射线衍射。 1987年Daniel带着X射线衍射的照片到了奥地利的一个晶体学大会，把准晶 这事给铁板定钉了。
A Stable Quasicrystal in Al-Cu-Fe System TSAI An-Pang，INOUE Akihisa， MASUMOTO Tsuyoshi Institute for Materials Research, Graduate School, Tohoku University
➢ "The main lesson that I have learned over time is that a good scientist is a humble and listening scientist and not one that is sure 100 percent in what he read in the textbooks,"
大连理工大学
Prof. C. Dong Ti-Zr-Ni/Fe/Co •I-phase formation • Bulk materials •Mechanical properties
[1] J. Non-Cry. Sol. 334 (2004) 223 [2] 金属学报，40（2004）：62
➢ "Every citizen of Israel is happy today and every Jew in the world is proud," Netanyahu said.
“现在，数以千计的科学家在我开 辟的领域作研究，我确定，每个人 都把这个奖项当作他们获得的成就， 这是他们应得的，如果没有这些科 学家，这项研究不会取得现在的成 绩。”
正二十面体准晶TEM衍射 * **
高分辨电镜照片 正20面体
第四届亚洲准晶会议 2006-09，25-28 西安
十多个国家，50余人 1，准晶的发现 2, 结构表征 3, 性质、性能 4, 准晶应用
稳定的Al、Mg基准晶
図 Al-Ni-Co正10角形準結晶の ADF-STEMによる原子像。
十二次对称性的发现
Surface Science Volume 156, Part 1, 3 June 1985,
Fra Baidu bibliotek石政 勉
Pages 241-248
现：北海道大学
1985年Ishimasa等人报道了 Ni-Cr颗粒中的十二次对称性
Ti-基准晶合金
郭可信
中科院金属所，物理所 研究员
1984-1985年：Ti-V-Ni, Ti-Fe, Ti-Co “五次对称性及Ti-Ni准晶相的发现与研究” 在1987年国家自然科学一等奖。
准晶获奖发布会
Israeli scientist Daniel Shechtman, right, addresses the media during a news conference at the Haifa Technion, Israel, on Wednesday, Oct. 5, 2011.
1, 稳定准晶的发现
2, 准晶形成理论
3, 准晶应用
日本东北大学金属材料研究所 日本金属材料技术研究所 日本东北大学多元研究所
2010.6北海道会议
Materials physics Research at Washington University
Prof. K.F. Kelton
Ti-TM-(Si), Ti-Ni-Si-O, Ti-Zr(Hf)-Ni(Fe,Co) I-Phase alloys • Forming ability • Structure • Hydrogen Storage capacity
Princeton University USA
Denis Gratias
Steinhardt, Paul J.
John W. Cahn
准晶的发表
Pauling and Shechtman 的论战
“ Danny Shechtman is talking nonsense. There is no such thing as quasicrystals, only quasi-scientists.”
结晶
准晶
非晶
结构
对称性
波函数
线性 长程
特殊 临界
短程 局部
结晶和准晶的差别
晶体的定义被改写： 以前，为整齐排列、不断 重复的三维模式；现在， 晶体是一种衍射图谱呈现
明确图案的固体。
正二十面体准晶
结晶和准晶的差别
80年代物质科学的三大发现
2011年诺贝尔化学奖
准晶合金的发现
2011诺贝尔颁奖
Japanese journal of applied physics. Pt. 2, Letters 26(9), L1505-L1507, 1987-09-20
稳定准晶的发现
1, 稳定准晶的发现 2, 准晶形成 3, 准晶特性
2010.6北海道准晶会议
日本东北大学金属材料研究所 日本金属材料技术研究所 日本东北大学多元研究所
准晶的发现 准晶发现 Prof. Dany Shechtman
Johns Hopkins University,
1984年, Shechtman等在寻找既轻又 硬的高强度急冷的Al-Mn合金.
液体急冷
准晶的发现
Al6Mn 1 mm
获得了具有五重对称, 斑点明锐的电子衍射 图.
准晶不被认可
"I told everyone who was ready to listen that I had material with pentagonal symmetry. People just laughed at me," Shechtman said in a description of his work released by his university.
(1) A tetrahedron placed on every face of an icosahedron (which itself can be thought of as a packing of 20 tetrahedra). Number of vertices 1 + 12 + 20 (2) Thirty more tetrahedra, over the icosahedron edges, completing the rings of five tetrahedra around the icosahedron edges. No new vertices. (3) Finally, a five-ring can be placed in each of the concavities. 12 new vertices. Total: 130 tetrahedra, 1 + 44 vertices (atom positions).
一、二维准晶合金
张泽
1988年5月至1990年12月张院士以客座科学家身份在德国核研究 中心固体物理所工作，其间他在铝铜钴合金的二维准晶研究中发 现一维准晶，在Al-Cu-Fe合金的三维准晶相变研究中发现二维准 晶。特别是，他在世界上首次发现了铝铜钻十次对称准晶中的位 错及层错；首次用常规衍射衬度方法系统地研究了五次对称准晶 的位错；在世界上首次发现十次对称准晶中的“位错”等缺陷，并 在国际上率先开展了系统的观察和研究。提出准晶中位错研究的 新理论。两篇关于准晶中缺陷研究的代表性论文在发表后三年内 被引用110余次，并被国际学术会议特邀报告人在报告中多次引 用。
应用化学前沿
准晶材料的发现和进展
内容提要
发现
过程
特性
前景
启迪
元素周期表
传统晶体学
➢ 根据点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归 属于7大晶系。 ➢ 按照“每个阵点的周围环境相同“的要求，布拉菲
（Bravais A．）用数学方法推导出能够反映空间 点阵全部特征的单位平面六面体只有14种，这14种 空间点阵。
准晶构造
Octagonal(八角形的) Decagonal (十边形的) Dodecagonal(十二角形的)
高分辨电镜照片 正20面体
Paul J. Steinhardt
20面体准晶模型
20面体准晶特征
两个四边形的边长有两种取值，之比为1.618
20面体的生长
The Bergman cluster built from almost regular tetrahedra.
晶体学基础
基本概念：对称性：只存在1,2,3,4,6次轴 晶体学所描述的对象： 原子排列方式（简化；理想；几何）=》周期。 晶体结构＝结构单元（单胞）+ 单胞周期平移
石墨
金刚石
C60
碳管
石墨烯
结晶的分类
A typical macroscopic sample contains 1023 atoms
* Phil. Mag. A, 52 , 1985：L49 * Phil. Mag. A, 54 , 1986：L83
叶恒强
Ti基准晶的发现，创造了中国科学的 一个奇迹，被认为是真正达到国际一流水 平的研究，这项研究不仅培养了一大批青 年科学家，还“培养”了四位中国科学院 院士，他们是叶恒强、李方华、张殿林和 张泽院士。
美国工程院院士，欧洲科学院院士，以色列科学院院士
现任以色列理工学院杰出教授， 美国菲利普托比亚斯材料科学列席教授； 美国爱荷华州立大学杰出 日本东北大学杰出教授 河南理工大学兼职教授 北京工业大学兼职教授
获奖（10多项） 诺贝尔化学奖（准晶体的发现）（2011年） Wolf奖（物理）（1999年） 以色列奖（物理）（1998年 Weizmann科学奖 瑞典皇家科学院Aminoff奖）
1985年，Pauling的质疑文章发在Nature上。 1986年，Shechtman通过精确的观察否定了这 些质疑，其反驳文章也发在Nature上。
1990年，Linus Pauling向Daniel伸去了橄榄枝， 邀请他共同写篇文章 “Shechtman-Pauling,” on quasiperiodic crystals，Daniel回信，很高兴写 这个东西，不过Linus要首先承认准晶是存在 的；Linus回复，那这篇共同署名的文章时机 还不成熟。
For months he tried to persuade his colleagues of his find, but they refused to accept it. Finally he was asked to leave his research group, and moved to another one within the institute.
发现由Cd-Yb两种元素构成 的稳定准晶相，这些稳定准晶体 具有极大的科学价值，他的这一 科研成果发表在2000年11月30日 出版的英国《自然》杂志上。
天然准晶
2009年，在俄罗斯一条河流内的矿物样品中发现了自然 生成的Al63Cu24Fe13准晶体
Daniel Shechtman简历
个人经历 1941年出生于特拉维夫（英属巴勒斯坦托管地），以色 列材料科学家， 以色列理工学院取得机械工程学士后，又接连取得材料 科学硕士与博士学位。 美国能源部埃姆斯实验室(Ames Laboratory)助理、艾奥 瓦州立大学材料科学教授。
2011年诺贝尔物理学奖、 化学奖、生理学或医学奖、 文学奖以及经济学奖颁奖 仪式在瑞典首都斯德哥尔 摩音乐厅举行。瑞典王室 成员、政界领导人及其他 各界人士共1500余人出席。 12月10日是瑞典工业家诺 贝尔的逝世纪念日，每年 的诺贝尔奖颁奖典礼都安 排在这一天举行。除和平 奖在挪威首都奥斯陆颁发 外，其余奖项均在瑞典首 都斯德哥尔摩颁发。图为 获奖人在领奖台上就坐。
1984年，投‘Journal of Applied Physics’ 编辑的回信：“rejecting the article as not being of interest to physicists“
准晶的确认
法国CNRS冶金化学研究所
1984年秋，Gratias在加州大学的一次理论 物理讨论会中听了Steinhardt的报告
准晶的结构
a．一维准晶 这类准晶相常发生于二十面体相或十面体相 与结晶相之间发生相互转变的中间状态，故属亚稳状态。 b．二维准晶 它们是由准周期有序的原子层周期地堆垛而 构成的，是将准晶态和晶态的结构特征结合在一起。 c．三维准晶 可分为A和B两类。A类以含有54个原子的二 十面体作为结构单元；B类则以含有137个原子的多面体为 结构单元；A类二十面体多数是铝-过渡族元素化合物，而 B族极少含有过渡族元素。
稳定准晶的发现
1987年法国和日本的同行终于发现了足够大的准晶来做X射线衍射。 1987年Daniel带着X射线衍射的照片到了奥地利的一个晶体学大会，把准晶 这事给铁板定钉了。
A Stable Quasicrystal in Al-Cu-Fe System TSAI An-Pang，INOUE Akihisa， MASUMOTO Tsuyoshi Institute for Materials Research, Graduate School, Tohoku University
➢ "The main lesson that I have learned over time is that a good scientist is a humble and listening scientist and not one that is sure 100 percent in what he read in the textbooks,"