【学术贴】准晶体

准晶体是其中原子的排列存在5次和6次以上对称轴的一种特殊的晶体。它既不同于非晶体，也不同于真正完整的晶体。晶体为具有平移对称的固体，即整个晶体中原子的排列都是很规则。三维晶体不可能具有5次和6次以上的对称轴，此点可由晶体学限制定理证明。而非晶体是短程有序、长程无序的固体，即在小范围内原子的排列是规则（有序）的，但在大范围内是不规则（无序）的
准晶体衍射图
银铝准晶体的原子模型

准晶体的结构在20世纪之前就已经被建筑师熟知，例如在伊朗伊斯法罕的清真寺，上面瓷砖的图案就是按照准晶样式排列。
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，例如任意形状的四边形或者正六边形，但是当增加拼图单元的种类时，就能够构造出更多的拼满一个平面的方法。两年后，王浩的学生Robert Berger构造了一系列不具有周期性的拼图方法。之后铺满平面所需要的拼图种类越来越少，1976年Roger Penrose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。
1984年底，D.Shechtman等人宣布，他们在急冷凝固的Al Mn合金中发现了具有五重旋转对称但并无平移周期性的合金像 ，即20面体准晶，这一准晶的拼图形式由两种不同的菱形组成。这篇文章发表于1984年，标题为“一种长程有序但是不具有平移对称性的金属相”（Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry）。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。在晶体学及相关的学术界引起了很大的震动。不久，这种无平移周期性但有位置序的晶体就被称为准晶体

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。和实验室中合成的一样，这些颗粒的结晶程度都非常好。 　　有关准晶体的组成与结构的规律仍在研究之中。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最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。

以色列科学家丹尼尔-谢赫特曼（Daniel Shechtman）因发现准晶体而 一人独享了2011年诺贝尔化学奖。 　　今年70岁的谢赫特曼将获得1000万瑞典克朗(约合140万美元)的奖金。谢赫特曼发现了准晶体，这种材料具有的奇特结构，推翻了晶体学已建立的概念。许多年以来，凝聚态物理学家们仅仅关心晶态的固体物质。然而，在过去的几十年，他们逐渐把注意力转向“非晶”材料，如液体或非晶体，这些材料中的原子仅在短程有序，被称为缺少“空间周期性”。
1982年，谢赫特曼在美国霍普金斯大学工作时发现了准晶，这种新的结构因为缺少空间周期性而不是晶体，但又不像非晶体，准晶展现了完美的长程有序，这个事实给晶体学界带来了巨大的冲击，它对长程有序与周期性等价的基本概念提出了挑战。

补充：
当操作使各原子的位置发生变换，若变换后的晶体 状态与变换前的状态相同，则称这个操作为对称操作。对称操作所依赖的几何要素叫对称元素。
晶体的对称性可分为宏观对称性和微观对称性。宏观对称性也就是布喇菲原胞的对称性，它由宏观对称性（或称点对称操作）来描述；微观对称性指的是无限在晶体的空间对称性，它由点对称操作和平移对称操作的组合来共同描述。

在一般的对称操作中，空间有许多点在动，且操作前后状态是一样的，在对称操作过程中保持空间至少有一个不动点的操作称为点对称操作。 (1)n 度旋转对称轴
大家知道，一正方形绕中心且与成垂直的轴旋转 后，能够自身重合，这种轴称为旋转轴。如果晶体绕某一旋 转轴旋转 后，仍能自身重合，则称其为 n 度旋转对称轴。利用晶体周期性的限制，可以证明这里 n 值只能取 1， 2 ， 3 ， 4 ， 6 共 5 个整数，也就是说不具有 5 度或 6 度以上的旋转对称轴，如图 1-4-1 所示，不难 想，如果晶体中有 n=5 的对称轴，则垂直于轴的平面上格点的分布至少应是五边形，但这些五边形不可能相互拼接而充满整个平面，从而不能保证晶格的周期性。
现在，已经发现一些固体具有 5 次旋转对称轴，这些具有 5 次或 6 次以上旋转对称轴，但又不具备周期性结构的固体称为准晶体。

(2) 中心反演
中心反演作用于空间某一位置（ x,y,z ）后，使之变换为（ -x,-y,-z ），。常用 i 表示中心反演操作。如旋转对称轴的对称元素是一条直线一样，中心反演的对称元素是一个点，中心反演又称为对称心。

(3) n 度旋转反演轴

这些基本对称操作的组合能构成 32 种点群，每一种点群对应于晶体的一种宏观对称性。 除点对称操作外,还有平移对称操作。平移对称操作分为两类：一类是平移格矢的整数倍，这类操作与点对称操作组合可构成 73 种点式空间群（或称为简单空间群）；另一类是平称格矢的非整数倍，这类平移与旋转和镜像组合产生两类新的操作， n 度螺旋轴和滑移反映面。这两种操作与点对称操作组合将得到 157 种非点式空间群。平移操作和点对称操作的组合共给出 230种空间群。每种空间群唯一地对应一种晶体结构。自然界的晶体结构有 230 种 ，测定空间群，推断原子的具体排列方式是晶体结构分析的主要内容。

看起来好腻害的样子

好贴;顶