準晶體的研究及其進展準晶體的研究及其進展1瑞典皇家科學院10月5日宣布，以色列科學家達尼埃爾·謝赫特曼因發現“準晶體”而獨享2011年諾貝爾化學獎以及1000萬瑞典克朗（約146萬美元）的獎金。諾貝爾化學獎評選委員會主席拉爾斯·特蘭德等人解釋道，1982年4月8日，謝赫特曼首次在電子顯微鏡下觀察到一種“反?！爆F象：鋁錳合金的原子采用一種不重復、非周期性但對稱有序的方式排列。瑞典皇家科學院10月5日宣布，以色列科學家達尼2丹·舍特曼（希伯來語：?????????，拉丁化：DanShechtman，或譯達尼埃爾·謝赫特曼，1941年－），是出生于特拉維夫的以色列材料科學家，任以色列理工學院菲利普托比亞斯材料科學教授、美國能源部埃姆斯實驗室(AmesLaboratory)助理、艾奧瓦州立大學材料科學教授。1982年4月8日，舍特曼在快速冷卻的鋁錳合金中發現一種新形態的二十面體相（IcosahedralPhase）分子結構，開辟了準晶體研究的新領域。

2011年獲諾貝爾化學獎，以表彰他“對準晶體的發現?！爱斘腋嬖V人們，我發現了準晶體的時候，所有人都嘲笑我。但我并不在意，我知道我是對的，他們是錯的，時間終于證明了這一點?！?/p>

——謝赫特曼丹·舍特曼（希伯來語：?????????，拉丁化：Dan3一、準晶的概念1、經典晶體學在準晶發現之前，人們通常認為固態物質僅有兩種形態，即晶體和非晶體，前者的結構可用一個結構單元（晶胞）的周期性排列來描述，后者則結構無長程有序，不存在任何對稱性，僅有近程有序性。晶體的結構特征決定晶體點陣可能的對稱軸次為一次、二次、三次、四次和六次，五次對稱和高于六次的對稱性不可能在晶體點陣中存在。一、準晶的概念1、經典晶體學4【地址水利】準晶體的研究及其進展模版課件5一、準晶的概念2、準晶定義及分類準晶是同時具有長程準周期性平移序和非晶體學旋轉對稱性的固態有序相。也可定義為是由兩種或兩種以上“原胞”在空間無限重復構成的。準晶也是一種晶體。準周期性不是準晶的唯一特性，而非晶體旋轉對稱性實際上是準晶的典型特征，準晶具有五次、八次、十次和十二次對稱，其中五次是三維的，其余是二維的。一、準晶的概念2、準晶定義及分類6【地址水利】準晶體的研究及其進展模版課件7一、準晶的概念根據三維物理空間中材料所呈現的維數，可以將準晶分為三維準晶、二維準晶和一維準晶。三維準晶：指的是三維物理空間的材料中，原子在三維上都是呈準周期分布的。實驗上已發現三維準晶有二十面體準晶和立方準晶兩大類。二維準晶：原子二維呈準周期分布，另外一維呈周期分布。實驗上已發現的二維準晶有十次準晶、十二次準晶、八次準晶和五次準晶四類。一維準晶：原子在二維上是周期分布的，另外一維是準周期分布。根據準晶在熱力學上的穩定性分為穩定準晶和亞穩定準晶兩大類。此外還可以按照準晶旋轉對稱軸次和構成準晶合金的合金系來分類。一、準晶的概念根據三維物理空間中材料所呈現的維數，可以將準晶8二、準晶體的發現1、1982年，D.Shechtman等在快速凝固的AlMn二元合金中發現了一種奇特的具有金屬性質的相——二十面體相。這個相具有明銳的衍射斑點，其電子衍射花樣明顯地顯示出晶體結構所不允許的五次旋轉對稱性。1984年在美國《物理評論快報》上發表了“具有長程取向序而無平移對稱序的金屬相”一文。2、1985年，L.Bendersky在AlMn合金中又發現一種介于二十面體相與晶體相之間的相——十邊形相。該相具有一維的平移周期性和十次旋轉對稱性。3、幾乎在同一時間，D.Levine及Streinhard在研究具有5次對稱的原子簇時，從理論上計算出具有明銳的5次對稱性的衍射圖，并稱這種具有5次對稱取向序而無周期平移序的物質為準周期性晶體（Quasi-periodicCrystal），簡稱準晶。二、準晶體的發現1、1982年，D.Shechtman等在快9二、準晶體的發現4、1987年，法、日科學家成功地在實驗室中制造出了大到足以被X射線觀察到的準晶體結構，證實了謝赫特曼的發現。

5、2009年，科學家們在俄羅斯東部哈泰爾卡湖獲取的礦物樣本中發現了天然準晶體的“芳蹤”，這種名為icosahedrite（取自正二十面體）的新礦物質由鋁、銅和鐵組成。

二、準晶體的發現4、1987年，法、日科學家成功地在實驗室中10二、準晶體的發現準晶體從發現到被確認經歷了波折的過程?！拔冶悔s出了自己所在的研究團隊，同事們說我的研究讓他們蒙羞?！敝x赫特曼回憶說，“對此，我并不在意，我深信自己是對的，他們是錯的?！焙髞恚x赫特曼回到以色列并和一名同事攜手撰寫文章描述他的發現。這篇文章剛開始也沒有逃脫被拒絕的命運，最終于1984年11月面世，隨后在科學界引起巨大漣漪。包括著名化學家、兩屆諾貝爾獎得主萊納斯·鮑林在內的一些化學界權威紛紛質疑謝赫特曼的發現?！八U林）公開說：達尼埃爾·謝赫特曼在胡言亂語，根本沒有什么準晶體，只有‘準科學家’?！敝x赫特曼回憶說。二、準晶體的發現準晶體從發現到被確認經歷了波折的過程。11三、準晶的結構模型1、一維準晶模型-菲博納奇（Fibonacci）序列Fibonacci序列誕生于13世紀，L、S分別代表兩段長、短線段，序列中L可以成雙或成單出現，而S只能單個出現，序列的任意項均為前兩項之和，相鄰項的比值逐漸逼近黃金分割數（1.61803……）三、準晶的結構模型1、一維準晶模型-菲博納奇（Fibonac12三、準晶的結構模型2、二維準晶模型-彭羅斯（Penrose）拼圖Penrose拼圖是英國數學物理學家R.Penrose于1974年提出。Penrose拼圖具有一種不嚴格的長程平移對稱性。三、準晶的結構模型2、二維準晶模型-彭羅斯（Penrose）13三、準晶的結構模型3、三維準晶模型-三維彭羅斯拼砌模型美國物理學家D.Levine等進一步研究了三維彭羅斯拼圖和它的衍射花樣。三、準晶的結構模型3、三維準晶模型-三維彭羅斯拼砌模型14四、準晶體的性能及應用（一）準晶的性能1、密度：準晶的密度比經過退火后得到的相同成分晶態相的密度約低2%。2、導電性：電阻率高、負的溫度系數（溫度升高電阻率反而升高）、樣品質量越差電阻率越低、很強的各向異性。3、導熱性：低導熱率、負溫度系數，接近陶瓷的隔熱性能，與普通合金截然不同。4、磁性能：至今沒有發現準晶所獨有的磁性能。5、力學性能：室溫下與普通金屬化合物類似，硬而脆。準晶的硬度與陶瓷相仿，遠高于高強鋁合金，而韌性較低，脆性較大，是陶瓷的4倍。6、摩擦性能：準晶薄膜具有較好的耐磨性。7、表面抗氧化及不粘性。8、儲氫特性。9、彌散強化特性。四、準晶體的性能及應用（一）準晶的性能15四、準晶體的性能及應用（二）準晶的應用準晶材料的性能特點有較高的硬度、低摩擦系數、不粘性、耐蝕、耐腐等，但準晶材料在常溫下呈脆性，這大大限制了它的應用。目前，準晶材料主要應用于表面改性材料和結構材料增強兩方面。前者主要應用于炊具表面材料（如不粘鍋涂層等）、隔熱材料（如航空發動機等）和太陽能工業薄膜材料；后者主要用準晶相作時效強化相、用準晶納米顆粒增強鋁基合金、用準晶顆粒增強復合材料等。四、準晶體的性能及應用（二）準晶的應用16五、我國科學家對準晶體的研究在準晶的研究方面

，我國的水平幾乎與國外同步

。1985年中科院沈陽金屬所郭可信院士領導的研究組在急冷合金中發現了二十面體準晶，這是首例非Al基準晶相

。隨后

，又發現了一系列新準晶種類，如二十面體準晶、硅化物準晶等。

郭可信（1917-2006）,男，中國科學院北京電子顯微鏡開放實驗室主任、研究員。中科院院士、物理冶金和晶體學家。1985年他領導的研究組發現五重旋轉對稱和Ti-V-Ni二十面體準晶，在國際學術界產生重要影響并獲得高度評價，被稱之為“中國相”，并于1987年獲得國家自然科學一等獎。1988年發現八重旋轉對稱準晶及十二次對稱準晶并獲國家自然科學三等獎。1988年發現穩定Al-Cu-Co十重旋轉對稱準晶及一維準晶并獲得中國科學院自然科學二等獎。1993年獲第三世界科學院物理獎。1994年獲何梁何利科學技術進步獎。

五、我國科學家對準晶體的研究在準晶的研究方面

，我國的水平幾17六、總結1、準晶是一種特殊結構的晶體，原子的排列沒有周期性，但是長程有序，因此在TEM和XRD中都表現出明銳的亮點或者峰。很多人認為準晶是介于晶體和非晶的一種物質，因此XRD的峰應該比較寬，這個想法是錯的，高質量的準晶單晶的峰很窄，跟Silicon差不多。準晶單晶看起來也跟普通的晶體沒有什么區別，斷面跟silicon晶體的斷面類似，非常的亮。2、準晶的結構非常復雜，很難通過常規的方法解析。準晶沒有周期性，所以沒有晶胞的概念，從另一個角度也可以說準晶的晶胞是無窮大的。3、準晶有穩定的也有亞穩態的。六、總結1、準晶是一種特殊結構的晶體，原子的排列沒有周期性，18六、總結4、準晶的概念現在不僅僅在合金中，科學家們已經人工合成出了一些高分子的準晶，如liquidquasicrystal,最近一些做合成的人又合成了一些納米粒子，這些納米粒子能夠自組裝成具有準晶結構的納米結構。準晶的結構還為設計新型的材料提供了思路，比如光子準晶。六、總結4、準晶的概念現在不僅僅在合金中，科學家們已經人工合19六、總結5、目前對于準晶的研究有幾個方向。首先，是新型準晶的發現，尤其是穩定的二元準晶；其次，大尺寸準晶單晶的制備，這個是很多物理性質、表面性質研究的基礎，因為準晶的組分嚴格，單晶生長的窗口小，所以做起來比較困難；第三，準晶的結構解析方法的建立；第四；也是很重要的，準晶物理性質的研究和控制，準晶有很多很好的物理性質，但是很難應用，如果能有效的調控這些物理性質，對開發準晶的應用將有很好的指導意義；第五；準晶的表面結構和性質，準晶一些優良的表面性質與其表面結構有著緊密的聯系，但是對準晶表面結構的了解還不夠，并且準晶作為一種準周期結構的襯底，在上面生長具有準周期結構的薄膜或者納米結構在物理研究上也是很有意義的。六、總結5、目前對于準晶的研究有幾個方向。首先，是新型準晶的20參考文獻1、《準晶研究》，郭可信，20042、《準晶材料》，董闖，19983、《準晶體》，劉有延等4、《準晶結構及對稱新理論》，陳敬中，19965、準晶材料的研究及應用，伍陶陶等，20106、引人注目的新材料-準晶材料Ⅰ：準晶材料介紹，肖華星，20037、引人注目的新材料-準晶材料Ⅱ：準晶基礎，肖華星，20038、引人注目的新材料-準晶材料Ⅲ：準晶的形成，肖華星，20049、引人注目的新材料-準晶材料Ⅳ：準晶的性能及應用，肖華星，2004參考文獻1、《準晶研究》，郭可信，200421謝謝大家！謝謝大家！22準晶體的研究及其進展準晶體的研究及其進展23瑞典皇家科學院10月5日宣布，以色列科學家達尼埃爾·謝赫特曼因發現“準晶體”而獨享2011年諾貝爾化學獎以及1000萬瑞典克朗（約146萬美元）的獎金。諾貝爾化學獎評選委員會主席拉爾斯·特蘭德等人解釋道，1982年4月8日，謝赫特曼首次在電子顯微鏡下觀察到一種“反?！爆F象：鋁錳合金的原子采用一種不重復、非周期性但對稱有序的方式排列。瑞典皇家科學院10月5日宣布，以色列科學家達尼24丹·舍特曼（希伯來語：?????????，拉丁化：DanShechtman，或譯達尼埃爾·謝赫特曼，1941年－），是出生于特拉維夫的以色列材料科學家，任以色列理工學院菲利普托比亞斯材料科學教授、美國能源部埃姆斯實驗室(AmesLaboratory)助理、艾奧瓦州立大學材料科學教授。1982年4月8日，舍特曼在快速冷卻的鋁錳合金中發現一種新形態的二十面體相（IcosahedralPhase）分子結構，開辟了準晶體研究的新領域。

2011年獲諾貝爾化學獎，以表彰他“對準晶體的發現?！爱斘腋嬖V人們，我發現了準晶體的時候，所有人都嘲笑我。但我并不在意，我知道我是對的，他們是錯的，時間終于證明了這一點。”

——謝赫特曼丹·舍特曼（希伯來語：?????????，拉丁化：Dan25一、準晶的概念1、經典晶體學在準晶發現之前，人們通常認為固態物質僅有兩種形態，即晶體和非晶體，前者的結構可用一個結構單元（晶胞）的周期性排列來描述，后者則結構無長程有序，不存在任何對稱性，僅有近程有序性。晶體的結構特征決定晶體點陣可能的對稱軸次為一次、二次、三次、四次和六次，五次對稱和高于六次的對稱性不可能在晶體點陣中存在。一、準晶的概念1、經典晶體學26【地址水利】準晶體的研究及其進展模版課件27一、準晶的概念2、準晶定義及分類準晶是同時具有長程準周期性平移序和非晶體學旋轉對稱性的固態有序相。也可定義為是由兩種或兩種以上“原胞”在空間無限重復構成的。準晶也是一種晶體。準周期性不是準晶的唯一特性，而非晶體旋轉對稱性實際上是準晶的典型特征，準晶具有五次、八次、十次和十二次對稱，其中五次是三維的，其余是二維的。一、準晶的概念2、準晶定義及分類28【地址水利】準晶體的研究及其進展模版課件29一、準晶的概念根據三維物理空間中材料所呈現的維數，可以將準晶分為三維準晶、二維準晶和一維準晶。三維準晶：指的是三維物理空間的材料中，原子在三維上都是呈準周期分布的。實驗上已發現三維準晶有二十面體準晶和立方準晶兩大類。二維準晶：原子二維呈準周期分布，另外一維呈周期分布。實驗上已發現的二維準晶有十次準晶、十二次準晶、八次準晶和五次準晶四類。一維準晶：原子在二維上是周期分布的，另外一維是準周期分布。根據準晶在熱力學上的穩定性分為穩定準晶和亞穩定準晶兩大類。此外還可以按照準晶旋轉對稱軸次和構成準晶合金的合金系來分類。一、準晶的概念根據三維物理空間中材料所呈現的維數，可以將準晶30二、準晶體的發現1、1982年，D.Shechtman等在快速凝固的AlMn二元合金中發現了一種奇特的具有金屬性質的相——二十面體相。這個相具有明銳的衍射斑點，其電子衍射花樣明顯地顯示出晶體結構所不允許的五次旋轉對稱性。1984年在美國《物理評論快報》上發表了“具有長程取向序而無平移對稱序的金屬相”一文。2、1985年，L.Bendersky在AlMn合金中又發現一種介于二十面體相與晶體相之間的相——十邊形相。該相具有一維的平移周期性和十次旋轉對稱性。3、幾乎在同一時間，D.Levine及Streinhard在研究具有5次對稱的原子簇時，從理論上計算出具有明銳的5次對稱性的衍射圖，并稱這種具有5次對稱取向序而無周期平移序的物質為準周期性晶體（Quasi-periodicCrystal），簡稱準晶。二、準晶體的發現1、1982年，D.Shechtman等在快31二、準晶體的發現4、1987年，法、日科學家成功地在實驗室中制造出了大到足以被X射線觀察到的準晶體結構，證實了謝赫特曼的發現。

5、2009年，科學家們在俄羅斯東部哈泰爾卡湖獲取的礦物樣本中發現了天然準晶體的“芳蹤”，這種名為icosahedrite（取自正二十面體）的新礦物質由鋁、銅和鐵組成。

二、準晶體的發現4、1987年，法、日科學家成功地在實驗室中32二、準晶體的發現準晶體從發現到被確認經歷了波折的過程?！拔冶悔s出了自己所在的研究團隊，同事們說我的研究讓他們蒙羞。”謝赫特曼回憶說，“對此，我并不在意，我深信自己是對的，他們是錯的?！焙髞?，謝赫特曼回到以色列并和一名同事攜手撰寫文章描述他的發現。這篇文章剛開始也沒有逃脫被拒絕的命運，最終于1984年11月面世，隨后在科學界引起巨大漣漪。包括著名化學家、兩屆諾貝爾獎得主萊納斯·鮑林在內的一些化學界權威紛紛質疑謝赫特曼的發現?！八U林）公開說：達尼埃爾·謝赫特曼在胡言亂語，根本沒有什么準晶體，只有‘準科學家’。”謝赫特曼回憶說。二、準晶體的發現準晶體從發現到被確認經歷了波折的過程。33三、準晶的結構模型1、一維準晶模型-菲博納奇（Fibonacci）序列Fibonacci序列誕生于13世紀，L、S分別代表兩段長、短線段，序列中L可以成雙或成單出現，而S只能單個出現，序列的任意項均為前兩項之和，相鄰項的比值逐漸逼近黃金分割數（1.61803……）三、準晶的結構模型1、一維準晶模型-菲博納奇（Fibonac34三、準晶的結構模型2、二維準晶模型-彭羅斯（Penrose）拼圖Penrose拼圖是英國數學物理學家R.Penrose于1974年提出。Penrose拼圖具有一種不嚴格的長程平移對稱性。三、準晶的結構模型2、二維準晶模型-彭羅斯（Penrose）35三、準晶的結構模型3、三維準晶模型-三維彭羅斯拼砌模型美國物理學家D.Levine等進一步研究了三維彭羅斯拼圖和它的衍射花樣。三、準晶的結構模型3、三維準晶模型-三維彭羅斯拼砌模型36四、準晶體的性能及應用（一）準晶的性能1、密度：準晶的密度比經過退火后得到的相同成分晶態相的密度約低2%。2、導電性：電阻率高、負的溫度系數（溫度升高電阻率反而升高）、樣品質量越差電阻率越低、很強的各向異性。3、導熱性：低導熱率、負溫度系數，接近陶瓷的隔熱性能，與普通合金截然不同。4、磁性能：至今沒有發現準晶所獨有的磁性能。5、力學性能：室溫下與普通金屬化合物類似，硬而脆。準晶的硬度與陶瓷相仿，遠高于高強鋁合金，而韌性較低，脆性較大，是陶瓷的4倍。6、摩擦性能：準晶薄膜具有較好的耐磨性。7、表面抗氧化及不粘性。8、儲氫特性。9、彌散強化特性。四、準晶體的性能及應用（一）準晶的性能37四、準晶體的性能及應用（二）準晶的應用準晶材料的性能特點有較高的硬度、低摩擦系數、不粘性、耐蝕、耐腐等，但準晶材料在常溫下呈脆性，這大大限制了它的應用。目前，準晶材料主要應用于表面改性材料和結構材料增強兩方面。前者主要應用于炊具表面材料（如不粘鍋涂層等）、隔熱材料（如航空發動機等）和太陽能工業薄膜材料；后者主要用準晶相作時效強化相、用準晶納米顆粒增強鋁基合金、用準晶顆粒增強復合材料等。四、準晶體的性能及應用（二）準晶的應用38五、我國科學家對準晶體的研究在準晶的研究方面

，我國的水平幾乎與國外同步

。1985年中科院沈陽金屬所郭可信院士領導的研究組在急冷合金中發現了二十面體準晶，這是首例非Al基準晶相

。隨后

，又發現了一系列新準晶種類，如二十面體準晶、硅化物準晶等。

郭可信（1917-2006）,男，中國科學院北京電子顯微鏡開放實驗室主任、研究員。中科院院士、物理冶金和晶體學家。1985年他領導的研究組發現五重旋轉對稱和Ti-V-Ni二十面體準晶，在國際學術界產生重要影響并獲得高度評價，被稱之為“中國相”，并于1987年獲得國家自然科學一等獎。1988年發現八重旋轉對稱準晶及十二次對稱準晶并獲國家自然科學三等獎。1988年發現穩定Al-Cu-Co十重旋轉對稱準晶及一維準晶并獲得中國科學院自然科學二等獎。1993年獲第三世界科學院物理獎。1994年獲何梁何利科學技術進步獎。

五、我國科學家對準晶體的研究在準晶的研究方面

，我國的水平幾39六、總結1、準晶是一種特殊結構的晶體，原子的排列沒有周期性，但是長程有序，因此在TEM和XRD中都表現出明銳的亮點或者峰。很多人認為準晶是介于晶體和非晶的一種物質，因此XRD的峰應該比較寬，這個想法是錯的，高質量的準晶單晶的峰很窄，跟Silicon差不多。準晶單晶看起來也