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准晶

准晶在急冷的Al-Mn合金中发现,是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶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。准晶是具有准周期平移格子构造的固体,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格子不相容的对称。衍射花样具有五次、八次、十次和十二次对称。

一种典型的准晶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。

直至20世纪80年代,人们把固体材料分为两大类,一类是晶体,其中原子作规则排列;另一类是非晶体,原子混乱排列。德国科学家在1850年就总结出晶体的平移周期性,即晶体中原子的三维周期排列方式可以概括为14种空间点阵。受这种平移对称约束、晶体的旋转对称只能有1、2、3、4、6等5种旋转轴。这种限制就像生活中不能用正五角形拼块铺满地面一样,晶体中原子排列是不允许出现5次或6次以上的旋转对称性的。

1984年中国、美国、法国和以色列等国家的学者几乎同时在淬冷合金中发现了存在有5次对称轴,确证这些合金相是具有长程定向有序,而没有周期平移有序的一种封闭的正20面体相,并称之为准晶体。以后又陆续发现了具有8次、10次、12次对称的准晶结构。

5次对称性和准晶的发现对传统晶体学产生了强烈的冲击,它为物质微观结构的研究增添了新的内容,为新材料的发展开拓了新的领域。 2009年7月15日,据美国《科学》杂志在线新闻报道,自从科学家在25年之前首次制造出这种物质以来,他们一直在寻思自然界是否也有能力形成这种物质。为了找到答案,研究人员在那些包含有形成准晶的物质铝、铜和铁的岩石中展开了搜索。

一个计算机程序最终帮助科学家缩小了范围他们在一种名为khatyrkite的岩石中找到了准晶。这一发现也使得准晶被划入了一种真实存在的矿物质。研究人员《科学》杂志上报告了这一发现。

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,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。


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