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准晶体及准晶体材料概览化学与分子工程学院化学与分子工程学院摘要：准晶体翻开了晶体学新的一页，同时也在材料领域开拓了新的研究方向。2011年诺贝尔化学奖授予以色列科学家丹尼尔·谢赫特曼，以表彰他发现准晶体。可以说，准晶体带来了材料化学、结构化学的革命；本报告通过对准晶体的发现历史、结构、特性，应用等方面的讨论，增加同学们对晶体学知识的了解，激发同学们对化学新兴领域的兴趣。关键词：准晶体准晶材料化学与分子工程学院内容概览一、晶体学的发展历史与准晶体的出现二、准晶体的定义、实例展示三、准晶体的结构、性能介绍四、准晶体研究进展与准晶材料应用五、参考文献与致谢化学与分子工程学院一、晶体学的发展历史与准晶体的出现化学与分子工程学院1、几何晶体学的发展简史•1669年斯登诺、1783年爱斯尔发现晶面夹角守恒定律.。•1805-1809年魏尔斯发现晶体对称定律(只存在1,2,3,4,6次轴)。•1830年赫塞尔、加多林推导出晶体外形对称元素宏观对称类型共有32种（即32种点群）。•1848年布拉维指出确定了空间点阵的14种形式（即14种布拉维点阵）。•1889年松克提出晶体全部可能的微观对称类型共有230种（即230个空间群）。化学与分子工程学院2、X射线晶体学的发展简史•1909劳厄发现晶胞对X射线散射中的散射波叠加平均效应•1912年劳厄、厄瓦尔得到第一张Ｘ射线衍射图，发现晶体Ｘ射线衍射效应，建立了Ｘ射线光谱学。•1913莫斯莱建立莫斯莱定律。•1956-1960年，电子显微镜下观察了大量的晶体结构晶格相，高分辨率透射电子显微镜分辨率0.1nm晶胞尺寸。•1984年，谢赫特曼发现第一个准晶体，准晶体学分支学科形成。化学与分子工程学院3、准晶体的历史渊源和现状概括500年前，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，这是准晶最早的溯源。化学与分子工程学院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。即Penrose拼图（后文详细介绍）化学与分子工程学院1984年，丹尼尔·谢赫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。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。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。化学与分子工程学院Danielle.Shechtman(1941-)理论物理学家•1982年，他率先在实验室环境下发现准晶体“现象.•1984年，另一个研究小组独立发现类似现象，两个小组的研究结果得以同时发表。准晶体的相关研究成果已被应用到材料学、生物学等多种领域。•2011年获得诺贝尔化学奖化学与分子工程学院谢赫特曼的准晶之缘1982年4月，谢赫特曼在研究一种铝锰合金时，发现其中的“晶体”物质存在10次对称轴。它的电子衍射照片在旋转36°（十分之一周）后，才能使旋转前后的照片上的衍射斑点完全重合在一起。化学与分子工程学院•当时，国际上大多数科学家都反对准晶体理论，但是谢赫特曼还是坚持准晶体的研究。其中，反对最激烈、声望最高的是两度获得诺贝尔奖的莱纳斯·鲍林（1945&1962）.•鲍林曾经在一场新闻发布会上说：“谢赫特曼在胡说。没有准晶体这种东西，只有准科学家。”鲍林还发表了不少晶体结构方面的文章，想方设法要把谢赫特曼的准晶体归纳到传统的晶体学教科书里。由于鲍林在国际化学界影响很大，他给谢赫特曼“准科学家”的称谓不胫而走。化学与分子工程学院1987年，法国和日本科学家制出足够大的准晶体，可以经由X射线和电子显微镜直接观察到这种晶体。至此，谢赫特曼的理论才得到科学界的认可。化学与分子工程学院诺贝尔奖评选委员会在高度评价了谢赫特曼研究的同时，也对全世界科学家们发出了警告：“即使最伟大的科学家也会陷于传统藩篱的桎梏中，保持开放的头脑、敢于质疑现有认知是科学家最重要的品质。”化学与分子工程学院二、准晶体的定义、基本特征与实例化学与分子工程学院1.准晶体的定义与基本特征•物理学定义：准周期晶体，简称称准晶体，是介于晶体与非晶体(玻璃体)之间的中间形式；准晶具有完全有序的结构，不具有晶体所应有的平移对称性，具有晶体所不允许的宏观对称性。•基本特征：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。化学与分子工程学院2.准晶体实例化学与分子工程学院Ag-Al准晶Al-Rh准晶化学与分子工程学院Al-Cu-Co十次对称棱柱状准晶化学与分子工程学院Ti-Ni准晶化学与分子工程学院三、准晶体的结构、性能介绍化学与分子工程学院1.准晶体的结构介绍•准晶体有别于晶体的最大特点是，具有准周期性结构，即不具有传统的平移周期性，但又有别于非晶体的无序排布。因此，准晶体可以拥有五次及六次以上的旋转轴。•数学上已经证明，具有平移性的晶体不存在5及6以上旋转轴。化学与分子工程学院化学与分子工程学院数学家在准晶发现之前已经从理论上对准晶的存在给出了预言。1974年R.Penrose发现一种非周期可填满整个空间的图形结构Pentaplexity化学与分子工程学院•Pentaplexity具有分形结构，可以证明不具有平移周期。•类似的还存在“一维Pentaplexity”，其节点距离满足以下Fibonacci数列，同样具有自相似性。Pentaplexity分形结构化学与分子工程学院二维Pentaplexity化学与分子工程学院是否具有“三维Penrose”拼图?答案似乎是显然的，但并非二维Penrose拼图在第三维上的简单拓展，而是寻找一个全新的结构来填充整个空间。化学与分子工程学院1978-1982Mackay提出了三Penrose拼图5次轴存在的可能性化学与分子工程学院化学与分子工程学院然而直到1984年D.Shechtman才通过骤冷Al-Mn合金得到了第一个人工准晶体化学与分子工程学院m35对称元素投影图化学与分子工程学院1985L.BenderskyAl-Mn10次轴次年中国科学家冯国光发现Al-Fe10次轴化学与分子工程学院1985年T.Ishimasa得到Ni-Cr准晶（12次轴）不久中国科学家陈焕等得到V-Ni-Si准晶（12次轴）1987年王宁得到Cr-Ni-Si准晶（8次轴）化学与分子工程学院Cr-Ni-Si准晶（8次轴）的高分辨率电子显微镜照片化学与分子工程学院2.准晶材料的性能概览•1.传输特性•2.表面特性•3.弥散强化特性•4.储氢特性•5.光学特性•6.高温塑性化学与分子工程学院四、准晶体研究进展与准晶材料应用化学与分子工程学院1.准晶体研究进展•目前，国际国内对准晶体的结构及其稳定性研究较透彻，而对它的物理性质（尤其是热力学性质）方面的理论研究很少。从目前来看，除了一维准晶情况外，准晶体的物性研究无论是实验还是理论方面都还处于开始阶段。•目前研究的瓶颈在于实验上，毫米级的大块准晶单晶不易制备，从而限制了物理性质的实验研究。实验数据的缺乏也反过来制约了理论研究的进展。化学与分子工程学院•其次，准晶合金的原子结构大都不易精确确定。准晶体的发现是近年来凝聚态物理学的一个重要突破，现已发现准晶态广泛地存在于许许多多合金之中。•最近，准晶地研究有了进一步的发展：由于最初获得的准晶相是亚稳态的，不适合于进行一些力学性能的测试。现在已经在一些Al-Li-Cu、Al-Cu-Fe和Al-Cu-Co等合金系中已发现了大量热力学稳定的准晶。化学与分子工程学院•在准晶的研究方面，我国的水平几乎与国外同步。1984年中科院沈阳金属所郭可信院士领导的研究组在急冷合金中发现了二十面体准晶，这是首例非Al基准晶相。随后，又发现了一系列新准晶种类，如二十面体准晶、硅化物准晶等。化学与分子工程学院一些比较重要的准晶组成、结构。发现年代简表化学与分子工程学院化学与分子工程学院化学与分子工程学院化学与分子工程学院化学与分子工程学院化学与分子工程学院1.分子准晶这一分子准晶是以具有十则对称的10,5-Coronene为核心的分子为结构基元在Penrosetiling(由一胖一瘦两种菱形组成的准对称构形)上“拼”成。两个现在比较热门的研究焦点化学与分子工程学院2.在2008年9月JoanM.Taylor发现一种带花纹的六边形可以非周期性的铺满整个平面化学与分子工程学院化学与分子工程学院化学与分子工程学院JoanM.Taylor给出了一种三维准周期结构，对新的准晶结构的发现有较为重要的的指导意义。化学与分子工程学院2.准晶材料的应用现状1.作为表面改性材料2.炊具表面材料3.隔热材料4.作为结构材料增强相5.储氢材料6.太阳能工业薄膜材料化学与分子工程学院五、参考文献与致谢化学与分子工程学院•参考文献•PenroseR.Pentaplexity:AClassofnon-periodictilingsoftheplane.Math.Intelligencer,1979,2:32~37•CrystallographyandthePenrosePattern.Physica,1982,A114:609~613•Metallicphasewithlong-rangeorientationalorderandnotranslationalsymmetry.Phys.Rev.Lett.,1984,53:1951~1953•BenderskyL,SchaeferRJ,BiancanielloFS,etal.IcosahedralAl-Mnandrelatedstructures:resemblancesinstructure.Scr.Metall.,1985,19:909~914•FungKK,YangCY,ZhanYQ,etal.IcosahedrellyrelateddecagonalquasicrystalinrapidlycooledAl-14-at%-Fealloy.Phys.Rev.Lett.,1986,56:2060~2063•IshiharaKN,YamamotoA.PenrosePatternsandrelatedstructures,I.SuperstructureandgeneralizedPenrosePatterns.ActaCrystalogr.,1988,A44:508~516•WangN,ChenH,KuoKH.Two-dimensionalquasicrystawitheightfoldrotationalsymmetry.Phys.Rev.Lett.,1987,59:1010~1013•Bersill,L.A.andPengJu-lin,Penrosetilingobservedinaquasi-crystal1985,Nature,316(4),50-51.•Levine.D,SteinhardtPJ,Mean-FieldTheoryofQuasicrystallineOrder.Phys.Rev.Lett,1985.54:1524•Anaperiodichexagonaltile.JoanM.Taylor化学与分子工程学院致谢：•在此向辛勤工作的老师、助教老师表示感谢•向为此报告提出宝贵意见的各位同学表示感谢