准晶体结构及应用

准晶体，也称为“拟晶体”，是一种介于晶体和非晶体之间的固体结构。准晶体是一种具有完全有序结构的特殊材料，但所谓的有序并不是指简单的周期性重复排列。到目前为止，大部分都是在实验室中制得的，只发现了一例纯天ran准晶体。现在，物理学家相信，他们已经弄清了准晶体的产生机制。

准晶体的原子排列中，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。

准晶体的发现

1982 年，以色列Dan Shechtman 教授于例行教授休假研究期间发现了铝锰合金(Al6Mn)的准晶相，从而开创了物理、化学和材料的新领域，更重写并扩展了科学家对“晶体”(crystal)的定义。

当时，谢赫特曼首次在电子显微镜下观察到一种“反常”现象：铝锰合金的原子采用一种不重复、非周期性但对称有序的方式排列。而当时人们普遍认为，晶体内的原子都以周期性不断重复的对称模式排列，这种重复结构是形成晶体所必须的，自然界中不可能存在具有谢赫特曼发现的那种原子排列方式的晶体。随后，科学家们在实验室中制造出了越来越多的各种准晶体，并于2009年首次发现了纯天ran准晶体。

准晶体并不是稀有之物(至少有数百种合金以上)，在室温下也基本稳定，而且不难制作(可以使用多种方法制备)，可是一直要等到1982 年才被他个人发现

欲在实验中发现准晶体的“有序”(order)，但却呈“准周期性”(quasi-periodic)的晶体结构，需要使用透射( 穿透式) 电子显微镜。因为早期的准晶样品的体积都只有亚(次)微米大小，而传统的X光衍射技术需要使用到毫米尺度的样品，因此不能采用标准的X光衍射技术来测定其三维原子排列。

另外一个重要原因是，当时的晶体学家仍然固守传统，只愿意接受由X光实验产生的衍射图形来断定一种物质的晶体结构，电镜的衍射数据则被认为是不具备充分说服力的4)。

在准晶体被发现之前，“ 晶体”的定义是指拥有数学上“有序”并且呈“周期性”(periodic)排列的三度空间物质结构。就旋转对称(rotational symmetry)而言，一个周期性的三维晶体只能出现1，2，3，4 和6 重旋转对称，而彻底排除5 重以及更高重旋转对称的可能性。70 年来，毫无例外的，千千万万种已知的晶体，其原子格点都呈周期性的排列。

准晶体的组成与结构特性

1、五次旋转对称性

经典晶体学中，无论是14种布拉菲点阵还是230种空间群，均不不允许有五次对称，因为五次对称会破坏空间点阵的平移对称性，即不可能用正五边形布满二维平面，也不可能用二十面体填满三维空间。而准晶的发现颠覆了这种观念，准晶的特点之一就是五次对称性。其实，矿石界的蛋白石，有机化学中的硼环化合物，生物学中的病毒，都显示出五次对称特征

2、准周期性

众所周知，五次对称性和周期性是不能共存的。如果坚持五次对称，就必须考虑准周期性。，沿与5次轴正交的一个轴看去，线段的长度并不是随意的，而仅有一长一短两种，他们的比值恰好是黄金分割数1.618…，且图中所有夹角都是/5的整数倍。也就是说，虽然这种二维结构中不具有周期性，但也不是完全混乱无序的，无论是长度还是夹角都有定值。

关于准晶体的组成与结构的规律，科学家仍在研究之中。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Z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。

常见的准晶体的应用

在实际生活中，准晶体早已被开发为有用的材料。准晶体的应用是非常广泛的，很多已经获得了实际的效果。预计在未来几年中，它的低摩擦、耐腐蚀、耐热性和非粘性会进一步被开发利用于材料领域。 有人也在铝基体中嵌入了硬纳米准晶， 去发掘它的更多性能。

1、表面涂层

如今在钴、铁、镍等金属的铝合金中，准晶已经成为了一种见怪不怪的结构。有趣的是，准晶出自合金，本身却是电的不良导体。它的其他特点包括：磁性较强，在高温下也比晶体更有弹性，十分坚硬，抗变形 能力也很强，因此可以作为商用价值很好的表面涂层。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。

像我们Z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。带有准晶体镀层的锅之所以不粘，正是利用了准晶体与常见食物的结构差异， 锅里镀层大高维晶体投影与常见食物的三维平凡结构是有差异的，原子排列的不同使得它们不会粘连在一起。

2、光学元件

关于准晶的研究方兴未艾。比如说光子准晶，它是以准周期形式排列 的，和光子晶体具有相似的性质（如各向同性的带隙） ，可用于建造微型光学元件。

3、隔热材料

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。

4、盔甲

我对准晶体作为“盔甲”这方面很感兴趣。AICuFe 准晶（通俗的叫法为铝－铜－铁的 准晶体） ，其硬度可与氧化硅相比。这种晶体为什么会用这么高的强度呢？这是由于这种准 晶体的特殊结构，它会形成 20 面体，具有与晶体不一样的宏观对称性，所以造就了其高强 度。

5、太阳能薄膜

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。我国在准晶的基础研究方面，也走在世界前列，尤其是 在准晶增强基复合材料的研究、准晶粉末的制备在全世界也具有优势。