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1、准晶体的发现及应用一准晶体的定义准晶体是一种介于晶体和非晶体之间的固体。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。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，而随着以色列人达尼埃尔谢赫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。二准晶体的结构银铝准晶体的原子模型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、
2、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。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 di
3、agram）来代替原先的微观空间呈现周期性结构的定义。三 准 晶 体 的 发 展 历 程 准 晶 体 的 发 现 ， 是 20 世 纪 80 年 代 晶 体 学 研 究 中 的 一 次 突 破 。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 ， 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 。 准
4、晶 体 是 1982 年 发 现 的 ， 具 有 凸 多 面 体 规 则 外 形 的 ， 但 不 同 于 晶 体 的 固态 物 质 ， 它 们 具 有 晶 体 物 质 不 具 有 的 五 重 轴 。 如 图 给 出 的 含 钬 镁 锌 三 种金 属 的 准 晶 体 的 正 十 二 面 体 外 型 。 已 知 的 准 晶 体 都 是 金 属 互 化 物 。 2000 年以 前 发 现 的 所 有 几 百 种 准 晶 体 中 至 少 含 有 3 种 金 属 ， 如 Al65Cu23Fe12， Al70Pd21Mn9 等 。 但 最 近 发 现 仅 2 种 金 属 也 可 形 成 准 晶 体 ， 如
5、 Cd57Yb10 Nature,2000,408:537 。 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
6、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 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
7、 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 。四 准 晶 体 发 现 者 获 2011 年 度 诺 贝 尔 化 学 奖诺 贝 尔 奖 评 选 委 员 会 第 102 次 颁 出 化 学 奖 2011 年 度 诺 贝 尔 化 学 奖 于北 京 时 间 10 月 5 日 揭
8、 晓 ， 以 色 列 理 工 学 院 的 丹 尼 尔 -谢 德 曼 （ Daniel Shechtman） 因 “发 现 准 晶 体 ”而 一 人 独 享 了 这 一 殊 荣 。 今 年 70 岁 的 舍 特 曼 将 获 得 1000 万 瑞 典 克 朗 (约 合 140 万 美 元 )的 奖 金 。 舍 特曼 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
9、 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 ”。 1982 年 ， 舍 特 曼 在 美 国 霍 普 金 斯 大 学 工 作 时 发 现 了 准 晶 ， 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
10、了 挑 战 。五 准 晶 体 的 应 用 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。像我们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。 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。 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。 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。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。
