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准晶的性质与利用

导言

一直以来，具有规则外形，内部结构中的原子、离子或分子在空间排列成具有三维周期性格子的物质被称作晶体。但物质内部结构中的原子、离子或分子有序是否一定会导致三维周期性呢？另外，数学家在20世纪60年代就发现了非周期平铺（aperiodictilings）图形，那么，在自然界中是否存在与该理论对应的物质呢？

19世纪80年代“准晶”（Quasicrystal）的发现对以上两个问题做出了回答。基于这一化学发展上的重要突破，瑞典皇家科学院2011年10月5日宣布，将2011年诺贝尔化学奖授予以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼（DanShechtman），以表彰他“发现了准晶”这一突出贡献。瑞典皇家科学院称，准晶的发现从根本上改变了以往化学家对物体的构想。本文将从准晶的发现，结构，性质，制备方法及其应用的方面详细介绍准晶这一特殊物质。

［关键内容］准晶的发现，结构，性质，制备方法及其应用

一.准晶的发现

1982年，以色列科学家谢赫特曼用电子显微镜测定了他自己合成的一块铝锰合金的衍射图像，发现是一个正十边形的对称结构——对寻常晶体来说这是一个不可能的对称性，因为从数学上很容易证明不可能用正十边形（或者简化到正五边形）去周期性地铺满平面，也就是说该物质不具三维周期性。谢赫特曼认为这是一种全新的晶体，它的特点就是只具有准周期性，并命名该类物质为“准晶”。

但是当时只有少数科学家接受这是一种新晶体。因为谢赫特曼实验时由于生长出来的晶体太小，不得不使用电子显微镜，而晶体学界的标准实验工具是更为精确的X射线，他们不太信任电子显微镜的结果。直到1987年有人生长出来足够大的准晶体，用X射线拍摄了更好的图像，科学家中的“主流”才接受了准晶的发现。谢赫特曼的努力最终迫使科学界反思对物质结构的认知，对物理学、化学和生物学的发展都有举足轻重的意义，也鼓舞了更多的科研工作者进入这一领域。虽然准晶最初是从急冷亚稳相中发现的，但热力学稳定的准晶相也很快就被合成出来，科研人员甚至在俄罗斯一条河流的矿物中发现了天然的准晶Al63Cu24Fe13。

二.准晶的结构

准晶体是其中原子的排列存在5次和6次以上对称轴的一种特殊的晶体。它既不同于非晶体，也不同于真正完整的晶体。晶体为具有平移对称的固体，即整个晶体中原子的排列都是很规则。三维晶体不可能具有5次和6次以上的对称轴。而准晶体是短程有序、长程无序的固体，即在小范围内原子的排列是规则（有序）的，但在大范围内是不规则（无序）的。

一种典型的准晶体结构是三维空间的彭罗斯拼图（Penrose）。二维空间的彭罗斯拼图由内角为36度、144度和72度、108度的两种菱形组成，能够无缝隙无交叠地排满二维平面。这种拼图没有平移对称性，但是具有长程的有序结构，并且具有晶体所不允许的五次旋转对称性。

理想的准晶体是由两种以上有“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。准晶是具有准周期平移点阵构造的固体，其中的原子常呈定向有序排列，但不作周期性平移重复，其对称要素包含与晶体空间点阵不相容的对称（如5次对称轴）。概括地说准晶是同时具有长程准周期平移性和非晶体学旋转对称性的固态有序相。准周期性和非晶体学对称性构成了准晶结构的核心特征。准晶的结构既不同于晶体、也不同于非晶态。准晶结构有多种形式，就目前所知可分成下列几种类型：

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．二十面体准晶

可以分为A、B两类。A类以含有54个原子的二十面体作为结构单元，多数是铝—过渡族元素化合物。B类以含有137个原子的多面体作为结构单元，极少含有过渡族元素。

三.准晶的性质

1.均一性

均一性指晶体、准晶体在其任一部位上都具有相同性质的特性。晶体结构中的任何质点都是在3维空间作周期性的重复分布。因此对于从同一晶体中分割出来的各个部分而言，它们必定具有完全相同的内部结构，从而它们所表现出的各项性质也必定完全一致，亦即都是均一的。准晶体的结构与晶体结构虽然有所不同，但仍然都是有序结构，准晶体分割出来的不同部分放大或缩小都与整体结构仍然有相同结构特征，因此宏观反映出来的准晶性质仍然具有均一性。

2.各向异性

各向异性指晶体、准晶体的性质因观察研究方向的不同而表现出差异的特性。晶体、准晶体结构中质点排列的方式和间距在不同的方向进行观察研究时，其各项性质将表现出一定的差异来，这种差异与它们的结构的对称性直接有关，这就是晶体