石英晶體_石英和水晶的區(qū)別_石英晶體的性能及應(yīng)用海波是晶體嗎_硫代硫酸鈉的作用晶體_什么是晶體|有哪些_晶體結(jié)構(gòu)的形成和缺陷晶體結(jié)構(gòu)_晶體結(jié)構(gòu)描述_常見(jiàn)晶體結(jié)構(gòu)種類(lèi)晶體生長(zhǎng)_晶體生長(zhǎng)過(guò)程原理_晶體生長(zhǎng)技術(shù)

準(zhǔn)晶體，也稱(chēng)為“擬晶體”，是一種介于晶體和非晶體之間的固體結(jié)構(gòu)。準(zhǔn)晶體是一種具有完全有序結(jié)構(gòu)的特殊材料，但所謂的有序并不是指簡(jiǎn)單的周期性重復(fù)排列。到目前為止，大部分都是在實(shí)驗(yàn)室中制得的，只發(fā)現(xiàn)了一例純天然準(zhǔn)晶體。現(xiàn)在，物理學(xué)家相信，他們已經(jīng)弄清了準(zhǔn)晶體的產(chǎn)生機(jī)制。

準(zhǔn)晶體的原子排列中，其結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)程有序的，這一點(diǎn)和晶體相似；但是準(zhǔn)晶不具備平移對(duì)稱(chēng)性，這一點(diǎn)又和晶體不同。普通晶體具有的是二次、三次、四次或六次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，但是準(zhǔn)晶的布拉格衍射圖具有其他的對(duì)稱(chēng)性，例如五次對(duì)稱(chēng)性或者更高的六次以上對(duì)稱(chēng)性。

準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)

1982 年，以色列Dan Shechtman 教授于例行教授休假研究期間發(fā)現(xiàn)了鋁錳合金(Al6Mn)的準(zhǔn)晶相，從而開(kāi)創(chuàng)了物理、化學(xué)和材料的新領(lǐng)域，更重寫(xiě)并擴(kuò)展了科學(xué)家對(duì)“晶體”(crystal)的定義。

當(dāng)時(shí)，謝赫特曼首次在電子顯微鏡下觀(guān)察到一種“反?！爆F(xiàn)象：鋁錳合金的原子采用一種不重復(fù)、非周期性但對(duì)稱(chēng)有序的方式排列。而當(dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為，晶體內(nèi)的原子都以周期性不斷重復(fù)的對(duì)稱(chēng)模式排列，這種重復(fù)結(jié)構(gòu)是形成晶體所必須的，自然界中不可能存在具有謝赫特曼發(fā)現(xiàn)的那種原子排列方式的晶體。隨后，科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中制造出了越來(lái)越多的各種準(zhǔn)晶體，并于2009年首次發(fā)現(xiàn)了純天然準(zhǔn)晶體。

準(zhǔn)晶體并不是稀有之物(至少有數(shù)百種合金以上)，在室溫下也基本穩(wěn)定，而且不難制作(可以使用多種方法制備)，可是一直要等到1982 年才被他個(gè)人發(fā)現(xiàn)

欲在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體的“有序”(order)，但卻呈“準(zhǔn)周期性”(quasi-periodic)的晶體結(jié)構(gòu)，需要使用透射( 穿透式) 電子顯微鏡。因?yàn)樵缙诘臏?zhǔn)晶樣品的體積都只有亞(次)微米大小，而傳統(tǒng)的X光衍射技術(shù)需要使用到毫米尺度的樣品，因此不能采用標(biāo)準(zhǔn)的X光衍射技術(shù)來(lái)測(cè)定其三維原子排列。

另外一個(gè)重要原因是，當(dāng)時(shí)的晶體學(xué)家仍然固守傳統(tǒng)，只愿意接受由X光實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的衍射圖形來(lái)斷定一種物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，電鏡的衍射數(shù)據(jù)則被認(rèn)為是不具備充分說(shuō)服力的4)。

在準(zhǔn)晶體被發(fā)現(xiàn)之前，“ 晶體”的定義是指擁有數(shù)學(xué)上“有序”并且呈“周期性”(periodic)排列的三度空間物質(zhì)結(jié)構(gòu)。就旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)(rotational symmetry)而言，一個(gè)周期性的三維晶體只能出現(xiàn)1，2，3，4 和6 重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)，而徹底排除5 重以及更高重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的可能性。70 年來(lái)，毫無(wú)例外的，千千萬(wàn)萬(wàn)種已知的晶體，其原子格點(diǎn)都呈周期性的排列。

準(zhǔn)晶體的組成與結(jié)構(gòu)特性

1、五次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性

經(jīng)典晶體學(xué)中，無(wú)論是14種布拉菲點(diǎn)陣還是230種空間群，均不不允許有五次對(duì)稱(chēng)，因?yàn)槲宕螌?duì)稱(chēng)會(huì)破壞空間點(diǎn)陣的平移對(duì)稱(chēng)性，即不可能用正五邊形布滿(mǎn)二維平面，也不可能用二十面體填滿(mǎn)三維空間。而準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)顛覆了這種觀(guān)念，準(zhǔn)晶的特點(diǎn)之一就是五次對(duì)稱(chēng)性。其實(shí)，礦石界的蛋白石，有機(jī)化學(xué)中的硼環(huán)化合物，生物學(xué)中的病毒，都顯示出五次對(duì)稱(chēng)特征

2、準(zhǔn)周期性

眾所周知，五次對(duì)稱(chēng)性和周期性是不能共存的。如果堅(jiān)持五次對(duì)稱(chēng)，就必須考慮準(zhǔn)周期性。，沿與5次軸正交的一個(gè)軸看去，線(xiàn)段的長(zhǎng)度并不是隨意的，而僅有一長(zhǎng)一短兩種，他們的比值恰好是黃金分割數(shù)1.618…，且圖中所有夾角都是/5的整數(shù)倍。也就是說(shuō)，雖然這種二維結(jié)構(gòu)中不具有周期性，但也不是完全混亂無(wú)序的，無(wú)論是長(zhǎng)度還是夾角都有定值。

關(guān)于準(zhǔn)晶體的組成與結(jié)構(gòu)的規(guī)律，科學(xué)家仍在研究之中。有關(guān)組成問(wèn)題值得重視的事實(shí)如：組成為Al70Pd21Mn9的是準(zhǔn)晶體而組成的Al60Pd25Mn15卻是晶體。有關(guān)結(jié)構(gòu)問(wèn)題，人們普遍認(rèn)為，準(zhǔn)晶體存在偏離了晶體的三維周期性結(jié)構(gòu)，因?yàn)閱握{(diào)的周期性結(jié)構(gòu)不可能出現(xiàn)五重軸，但準(zhǔn)晶體的結(jié)構(gòu)仍有規(guī)律，不像非晶態(tài)物質(zhì)那樣的近距無(wú)序，仍是某種近距有序結(jié)構(gòu)。

盡管有關(guān)準(zhǔn)晶體的組成與結(jié)構(gòu)規(guī)律尚未完全闡明，它的發(fā)現(xiàn)在理論上已對(duì)經(jīng)典晶體學(xué)產(chǎn)生很大沖擊，以致國(guó)際晶體學(xué)聯(lián)合會(huì)最近建議把晶體定義為衍射圖譜呈現(xiàn)明確圖案的固體（any solid having an essentially discrete diffraction diagram）來(lái)代替原先的微觀(guān)空間呈現(xiàn)周期性結(jié)構(gòu)的定義。在實(shí)際上，準(zhǔn)晶體已被開(kāi)發(fā)為有用的材料。例如，人們發(fā)現(xiàn)組成為鋁－銅－鐵－鉻的準(zhǔn)晶體具有低摩擦系數(shù)、高硬度、低表面能以及低傳熱性，正被開(kāi)發(fā)為炒菜鍋的鍍層；Al65Cu23Fe12十分耐磨，被開(kāi)發(fā)為高溫電弧噴嘴的鍍層。

常見(jiàn)的準(zhǔn)晶體的應(yīng)用

在實(shí)際生活中，準(zhǔn)晶體早已被開(kāi)發(fā)為有用的材料。準(zhǔn)晶體的應(yīng)用是非常廣泛的，很多已經(jīng)獲得了實(shí)際的效果。預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年中，它的低摩擦、耐腐蝕、耐熱性和非粘性會(huì)進(jìn)一步被開(kāi)發(fā)利用于材料領(lǐng)域。 有人也在鋁基體中嵌入了硬納米準(zhǔn)晶， 去發(fā)掘它的更多性能。

1、表面涂層

如今在鈷、鐵、鎳等金屬的鋁合金中，準(zhǔn)晶已經(jīng)成為了一種見(jiàn)怪不怪的結(jié)構(gòu)。有趣的是，準(zhǔn)晶出自合金，本身卻是電的不良導(dǎo)體。它的其他特點(diǎn)包括：磁性較強(qiáng)，在高溫下也比晶體更有彈性，十分堅(jiān)硬，抗變形 能力也很強(qiáng)，因此可以作為商用價(jià)值很好的表面涂層。準(zhǔn)晶材料的應(yīng)用主要作為表面改性材 料，以及作為增強(qiáng)相彌散分布于結(jié)構(gòu)材料中。

像我們最常見(jiàn)的不粘鍋炊具，因?yàn)闇?zhǔn)晶材料具有耐蝕耐磨等特點(diǎn)， 用于不粘鍋表面更抗腐。帶有準(zhǔn)晶體鍍層的鍋之所以不粘，正是利用了準(zhǔn)晶體與常見(jiàn)食物的結(jié)構(gòu)差異， 鍋里鍍層大高維晶體投影與常見(jiàn)食物的三維平凡結(jié)構(gòu)是有差異的，原子排列的不同使得它們不會(huì)粘連在一起。

2、光學(xué)元件

關(guān)于準(zhǔn)晶的研究方興未艾。比如說(shuō)光子準(zhǔn)晶，它是以準(zhǔn)周期形式排列 的，和光子晶體具有相似的性質(zhì)（如各向同性的帶隙） ，可用于建造微型光學(xué)元件。

3、隔熱材料

在隔熱性能方面，相比泡沫、纖維、金、銀、 鎳、鋁箔等傳統(tǒng)隔熱材料，準(zhǔn)晶體具有密度小、耐蝕和耐氧化的優(yōu)點(diǎn)，在航空和汽車(chē)工業(yè)的 發(fā)動(dòng)機(jī)等部件中，有非常大的應(yīng)用價(jià)值。以前，航空航天工業(yè)中，飛機(jī)座艙和駕駛艙內(nèi)常用 泡沫塑料、超細(xì)玻璃棉、高硅氧棉等材料，而現(xiàn)在，科學(xué)家們正研究用準(zhǔn)晶體材料來(lái)替代這些傳統(tǒng)材料。

4、盔甲

我對(duì)準(zhǔn)晶體作為“盔甲”這方面很感興趣。AICuFe 準(zhǔn)晶（通俗的叫法為鋁－銅－鐵的 準(zhǔn)晶體） ，其硬度可與氧化硅相比。這種晶體為什么會(huì)用這么高的強(qiáng)度呢？這是由于這種準(zhǔn) 晶體的特殊結(jié)構(gòu)，它會(huì)形成 20 面體，具有與晶體不一樣的宏觀(guān)對(duì)稱(chēng)性，所以造就了其高強(qiáng) 度。

5、太陽(yáng)能薄膜

準(zhǔn)晶體還被用作太陽(yáng)能工業(yè)薄膜材料。因?yàn)闇?zhǔn)晶體具有特殊的光學(xué)性能 （高的紅外傳導(dǎo)率）和足夠的熱穩(wěn)定性（抗氧化及擴(kuò)散穩(wěn)定性），可應(yīng)用于太陽(yáng)熱能工業(yè)。 

此外，準(zhǔn)晶體材料還可以作為結(jié)構(gòu)材料增強(qiáng)相的應(yīng)用、儲(chǔ)氫材料、半導(dǎo)體材料以及熱致發(fā)電材料等。目前各國(guó)化學(xué)家也正在研究準(zhǔn)晶體材料在真空鍍膜、離子注入、激光處理、電子轟 擊、電鍍等方法制備準(zhǔn)晶膜的應(yīng)用。我國(guó)在準(zhǔn)晶的基礎(chǔ)研究方面，也走在世界前列，尤其是 在準(zhǔn)晶增強(qiáng)基復(fù)合材料的研究、準(zhǔn)晶粉末的制備在全世界也具有優(yōu)勢(shì)。

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