第1章 引论

1.1 准晶的发现

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，晶体中原子排列是有规则的，主要体现在原子排列有周期性，或者长程有序性；另一类是非晶体，与晶体具有很强的周期对称性或者说规律性不同，非晶体没有任何长程对称性或长程有序性，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的影响，晶体的旋转对称只能有1、2、3、4、65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年前后以色列学者Shechtman在骤冷形成的微米尺寸的A-l Mn合金微粒的电子衍射图样中发现其具有正二十面体相的五重旋转对称性（图1.1），并且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二十面体相，并称为准晶体[1]。几乎与此同时，中国科学院沈阳金属所的郭可信院士小组也独立发现了Ti-V-Ni急冷合金具有二十面体准晶相[2]。随后，在其他一些合金中，具有十次[3]、十二次[4]和八次[5]旋转对称轴的电子衍射图的准晶相也被相继发现。由此可见准晶体是一种介于晶体和非晶体之间的固体。它们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（如五次对称轴）。不仅如此，在V-Ni-Si合金中还发现了具有立方对称性的晶体[6][7]，到目前为止，已有上百种合金中都被观察到准晶相[8]，它们大部分都是Al基于二元素或三元素合金或者都是与Al相类似的Ga及Ti元素的合金[9]，并且还有很多新的准晶在不断地被发现。早期发现的准晶是亚稳态的，不适合进行一些力学性能测试，对其研究以微观结构和形成机制为主。现在，在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[10]，而且，人们可以通过普通的凝固方法制备出高质量、大单晶准晶[11]。因此，对稳定的准晶结构内部沿不同方向可以做力学性能和实验分析及测量等。准晶作为轻质量、高强度和适宜在中温状态下工作的材料，正在成为功能材料和结构材料，具有很好的应用前景。

图1.1 Shechtman实验中的A-l Mn合金电子衍射图

以上的这些戏剧性发现突破了具有几个世纪历史的晶体学基本定律，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Science杂志在线新闻报道，自从科学家在25年前首次制造出这种物质以来，他们一直在思考自然界是否也有能力形成这种物质[12]。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（图1.2）。这使得准晶是一种真实存在的物质这一概念被人们接受。在2011年，美国科学家首次在软物质和胶体中发现了这种晶体相[13]。

图1.2 自然界中发现的物质——准晶

我国科学工作者在准晶的发现中做出了突出的贡献。除了郭可信院士领导的准晶研究小组在国际上一直处于领先地位外，王宁等[5]在Cr-Ni-Si合金中首次报道了八次对称二维准晶的发现；张泽院士等[14]独立地在急冷条件下复杂晶体生成及其特殊衍射现象探索中，发现Ti-Ni-V五次对称准晶，将晶体中衍射衬度理论方法引入准晶缺陷研究，在Al-Cu-Co十次对称准晶中发现位错，系统研究了五次对称准晶位错布氏矢量，为准晶缺陷研究提供了新方法和新理论；中国科学院冯国光等在急冷Al-Fe合金中发现十次对称准晶相[15]；陈焕等[16]在合金V-Ni-Si中发现十二次对称准晶。除了三维准晶和二维准晶之外，冯端[17]、何伦雄等[18]、杨文革等[19]也分别制备和发现了一些稳定的一维准晶。

准晶的发现改变了人们对固体结构的认识，开辟了固体结构研究的新领域，揭示了一种新对称性——准周期对称性的存在，是物理学的重大发现，极大地深化了人们对晶体学、凝聚态物理的认识。

2011年诺贝尔化学奖授予准晶的发现者以色列科学家Shechtman。瑞典皇家科学院的公报称，准晶的发现冲击了传统晶体学中的基本概念，使得人们重新审视了“晶体”这个固体理论中的基本概念。在目前发现的200余种准晶中，二维和三维准晶是目前发现最多的两大类，分别有60～70种和100多种。准晶的优良性质，如低传导率、良好的抗氧化性等使得它有广泛的应用前景。因此，关于准晶的研究工作方兴未艾。