2017-03-06 18:12:39

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凝聚态物理学
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编辑分类

准晶体,是一种介于晶体非晶体之间的固体。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。因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。

从数学上很容易证明你不可能用正十边形(或者简化到正五边形)去周期性地铺满平面。

基本信息

  • 中文名

    准晶体

  • 外文名

    quasicrystal

  • 亦称

    “准晶”或“拟晶”

  • 概念

    一种介于晶体和非晶体之间的固体

  • 发现者

    达尼埃尔.谢赫特曼

  • 发现时间

    1982年4月8日

折叠 编辑本段 定义

光子准晶体中谐振状态的分布强度,红色对应光子准晶体中谐振状态的分布强度,红色对应

准晶体又称之为称为“准晶”或“拟晶”,是一种介于晶体与非晶体之间的固体。

折叠 编辑本段 解释

折叠 导电与导热性很差

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。准晶体具有独特的属性,其坚硬又有弹性、非常平滑,而且,与大多数金属不同的是,其导电、导热性很差。

折叠 布拉格衍射图

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(crystallographicrestrictiontheorem),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。

折叠 编辑本段 发现

这次获得诺贝尔奖的丹尼尔·舍特曼是第一个正式报道发现了准晶的人。1984年他和以色列理工学院的同事们在快速冷却的铝锰合金中发现了一种新的金属相,其电子衍射斑具有明显的五次对称性。这篇文章发表于物理评论通讯(Physical Review Letters )上。

Shechtman文章中的五重对称性电子衍射斑

历史

虽然物理学家们都为准晶的发现而惊奇不已,但是其实数学上早就给出了这一结构的详细描述。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,这说明500年前的建筑师就已经意识到这一结构了。

清真寺上的砖片图案(图片来自于wiki百科)

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。

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。(图片来自wiki百科)

之后丹尼尔·舍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。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。

第二年Ishimasa等人报道了Ni-Cr颗粒中的十二次对称性。之后在V-Ni-Si和Cr-Ni-Si合金中又发现了八次对称衍射图。多年以来已经发现了几百种具有多种组成和对称性的准晶体。最早发现的这种准晶体结构在热力学上是不稳定的,一旦加热就会重新变成规则晶体。但是1987年的时候发现了许多种稳定的准晶体,这样就可以合成更大的晶体用于进一步的结构及应用研究。

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。和实验室中合成的一样,这些颗粒的结晶程度都非常好。

是一组利用傅里叶变换做出来的各种规则的准是一组利用傅里叶变换做出来的各种规则的准

折叠 非周期平铺图形

数学家在20世纪60年代就发现了这种非周期平铺(aperiodictilings)图形。但是直到快20年后这种理论上的结构才和准晶的研究联系起来。自然界中非周期图形的发现在结晶学领域造成了典范转移。虽然准晶体在此前就已被观察到并被研究,但由于它们违背了人们之前对于晶体结构的认识,所以直至20世纪80年代在开始受到重视。

折叠 五次对称

获得2011年诺贝尔化学奖的丹·舍特曼是第一个发现了准晶的人。1984年他和以色列理工学院的同事们在快速冷却的铝锰合金中发现了一种新的金属相,其电子衍射斑具有明显的五次对称性。这篇文章发表于物理评论通讯(PhysicalReviewLetters)上。

折叠 编辑本段 原理

折叠 五次旋转对称性

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。

折叠 大范围内是不规则(无序)

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,此点可由晶体学限制定理证明。而非晶体是短程有序、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。

折叠 编辑本段 历史

由于准晶具有美妙绝伦的几何由于准晶具有美妙绝伦的几何s.jpg">由于准晶具有美妙绝伦的几何视觉效果,它对艺术和建筑界的启发也比比皆是,下图是日本艺术家Akio HIZUME利用510根小木杆做出来的准晶模型,叫做MU-MAGARI。

折叠 准晶样式排列

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。

折叠 具有五次对称性

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RobertBerger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RogerPenrose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。

折叠 20面体准晶

丹尼尔·舍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。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”(MetallicPhasewithLong-RangeOrientationalOrderandNoTranslationalSymmetry)。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。

折叠 十二次对称性

第二年Ishimasa等人报道了Ni-Cr颗粒中的十二次对称性。之后在V-Ni-Si和Cr-Ni-Si合金中又发现了八次对称衍射图。多年以来已经发现了几百种具有多种组成和对称性的准晶体。最早发现的这种准晶体结构在热力学上是不稳定的,一旦加热就会重新变成规则晶体。但是1987年的时候发现了许多种稳定的准晶体,这样就可以合成更大的晶体用于进一步的结构及应用研究。

折叠 准晶颗粒

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。和实验室中合成的一样,这些颗粒的结晶程度都非常好。

折叠 编辑本段 简述

折叠 闯入了固体家族

20世纪80年代初以前,科学界对固态物质的认识仅限于晶体与非晶体,而随着以色列化学家丹尼尔·舍特曼的一次偶然发现,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。

1982年4月8日,丹尼尔·舍特曼在铝锰合金冷冻固化实验中首次观察到合金中的原子以一种非周期性的有序排列方式组合,具有这种原子排列方式的固体在当时理论下是不可能存在的。

1984年底,丹尼尔·舍特曼等人宣布,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无平移周期性的合金相,在晶体学及相关的学术界引起了很大的震动。不久,这种无平移同期性但有位置序的晶体就被称为准晶体

折叠 合成出多种准晶体结构准

晶体概念提出之时,权威界认为其颠覆了固态物质的分类方式,被认为是无稽之谈,受到巨大质疑,丹尼尔·舍特曼也被迫离开研究团队。然而在此基础上,化学家成功在实验室中合成出多种准晶体结构。

2009年,意大利佛罗伦萨大学的科学家卢卡·宾迪和同事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,这种新矿物质由铝、铜和铁组成。分析表明,“准晶体”这种结构能天然形成而且也能在自然环境下保持稳定。

折叠 编辑本段 结构

折叠 完全有序的结构

物质的构成由其原子排列特点而定。晶体是指原子呈周期性排列的固体物质,单晶体都具有有规则的几何形状,像食盐晶体是立方体、冰雪晶体为六角形。而原子呈无序排列的则叫做非晶体,非晶体没有一定的外形,介于这两者之间的叫做准晶体。也就是说,准晶体具有完全有序的结构,然而又不具有晶体所应有的空间周期性。

折叠 近距有序结构

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。

折叠 重新定义

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。

折叠 编辑本段 区别

与非晶质体的区别在于其内部质点在三维空间的排布是有规则的;

与晶体的区别在于其规律性并不表现为质点的周期性平移重复,而是配位多面体呈自相似的定向有序分布。

折叠 编辑本段 应用

折叠 日常生活

准晶材料在日常生活中可用来制造不粘锅、发光二极管、热电转化设备等。

折叠 表面改性材料

准晶材料的应用主要作为表面改性材料,以及作为增强相弥散分布于结构材料中。在实际生活中,准晶体早已被开发为有用的材料。最常见的不粘锅炊具,因为准晶材料具有耐蚀耐磨等特点,用于不粘锅表面更抗腐。

折叠 隔热性能方面

在隔热性能方面,相比泡沫、纤维、金、银、镍、铝箔等传统隔热材料,准晶体具有密度小、耐蚀和耐氧化的优点,在航空和汽车工业的发动机等部件中,有非常大的应用价值。

折叠 航空航天工业

以前,航空航天工业中,飞机座舱和驾驶舱内常用泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉等材料,而现在,科学家们正研究用准晶体材料来替代这些传统材料。此外,准晶体还被用作太阳能工业薄膜材料。因为准晶体具有特殊的光学性能(高的红外传导率)和足够的热稳定性(抗氧化及扩散稳定性),可应用于太阳热能工业。

折叠 结构材料

此外,准晶体材料还可以作为结构材料增强相的应用、储氢材料、半导体材料以及热致发电材料等。目前各国化学家也正在研究准晶体材料在真空镀膜、离子注入、激光处理、电子轰击、电镀等方法制备准晶膜的应用。

折叠 生物学

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。

折叠 编辑本段 来自太空

折叠 陨石的一部分

美国和意大利科学家指出,他们对在俄罗斯发现的天然“准晶体”矿石进行了化学分析,结果表明,这种矿石很可能是陨石的一部分,在陨石与地球的撞击中遗落到地球上。研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

折叠 高压下形成的硅石

宾迪和美国普林斯顿大学的保罗·斯坦哈特对这种矿石的化学成分进行了分析,结果表明,这种矿石可能是陨石的一部分,陨石在与地球的碰撞中遗落到地球上。他们在论文中指出,该样本中含有一些只能在高压下形成的硅石。这种硅石要么形成于地幔中,要么形成于陨石撞击地球那样的高速碰撞中。而结果显示,这块岩石样本经历过一个压力和温度及巨大的、典型的高速碰撞—小行星带上的流星就由这种碰撞产生;另外,这种岩石中不同氧元素的相对丰度更接近其他流星中而非地球上的岩石的氧元素的相对丰度。

折叠 保持稳定

研究显示,准晶体可能源于环境更多变的太空中,这也表明,准晶体能在很多环境下自然产生,而且,在宇宙学时标(足以明显看出宇宙演化的时间尺度,动辄以亿年为单位)上保持稳定。

准晶体是一种介于晶体和非晶体之间的固体结构。在准晶的原子排列中,其结构是长程有序的,这一点和晶体相似;但是准晶不具备平移对称性,这一点又和晶体不同。普通晶体具有的是二次、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六次以上对称性。

钬-镁-锌十二面体准晶(图片来自wiki百科)

关于这种长程有序的结构,数学家在1960年代就推测出了这种对称模型。但是直到快20年后这种理论上的结构才和准晶的研究联系起来。

这次获得诺贝尔奖的丹尼尔·舍特曼是第一个正式报道发现了准晶的人。1984年他和以色列理工学院的同事们在快速冷却的铝锰合金中发现了一种新的金属相,其电子衍射斑具有明显的五次对称性。这篇文章发表于物理评论通讯(Physical Review Letters )上。

Shechtman文章中的五重对称性电子衍射斑

历史

虽然物理学家们都为准晶的发现而惊奇不已,但是其实数学上早就给出了这一结构的详细描述。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,这说明500年前的建筑师就已经意识到这一结构了。

清真寺上的砖片图案(图片来自于wiki百科)

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。

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。(图片来自wiki百科)

之后丹尼尔·舍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。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。

第二年Ishimasa等人报道了Ni-Cr颗粒中的十二次对称性。之后在V-Ni-Si和Cr-Ni-Si合金中又发现了八次对称衍射图。多年以来已经发现了几百种具有多种组成和对称性的准晶体。最早发现的这种准晶体结构在热力学上是不稳定的,一旦加热就会重新变成规则晶体。但是1987年的时候发现了许多种稳定的准晶体,这样就可以合成更大的晶体用于进一步的结构及应用研究。

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。和实验室中合成的一样,这些颗粒的结晶程度都非常好。

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