准晶体的发现及应用
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准晶体摘要：准晶体是一种具有有序但不具备传统晶体完全周期性重复结构的材料。
本文将介绍准晶体的基本概念、发现历史、晶体学特征、结构特点以及其在材料科学领域的应用等方面。
通过对准晶体的深入研究，我们可以更好地了解这种材料的特殊性质，从而为今后的材料设计与合成提供更多可能性。
1. 引言准晶体是一种介于晶体和非晶体之间的特殊材料，其结构既具有一定的有序性，又存在非晶体所特有的无规则局部结构。
准晶体的发现给传统晶体学观念带来了很大的冲击，使得人们重新审视晶体结构的多样性和复杂性。
2. 发现历史准晶体的发现可以追溯到20世纪70年代初。
当时，关于准晶体存在的猜测和研究已经逐渐增多，但直到1975年才有科学家首次成功合成出了一种具有五重旋转对称性的准晶体。
这个发现引起了极大的轰动，并引发了整个科学界对准晶体的深入研究。
3. 晶体学特征准晶体的晶体学特征与传统晶体存在一定的差别。
准晶体的晶胞通常具有五重旋转对称性，而不是晶胞中心对称或其他常见的对称性。
此外，准晶体的点阵常数通常不是整数，这也是准晶体与普通晶体的一个显著区别。
4. 结构特点准晶体的结构特点是其与传统晶体最大的不同之处。
准晶体的结构在宏观上呈现出高度有序的态势，但在微观上却存在着一些局部无规则的结构。
这种具有非晶体特点的局部结构是准晶体与普通晶体的本质区别。
5. 应用与前景准晶体具有独特的结构和性质，将为材料科学领域带来许多新的应用与前景。
准晶体在催化剂、材料增强、信息存储、光学器件等方面都有着广泛的应用。
未来，通过对准晶体的深入研究，我们可以更好地利用准晶体的特性，实现更高效、更可靠的新型材料的开发与制备。
6. 结论准晶体作为一种介于晶体与非晶体之间的特殊材料，其结构和性质的研究具有重要的科学意义和应用价值。
通过对准晶体的深入研究，我们可以更深入地了解准晶体的结构特点，为今后的材料设计与合成提供更多的可能性。
相信在不久的将来，准晶体将在材料科学领域发挥着重要的作用。
2011年诺贝尔化学奖---准晶体的发现和研究
----达尼埃尔· 谢赫特曼（Danielle.Shechtman ）
① 达尼埃尔·谢赫特曼 （个人履历）
1941年，出生于以色列的特拉维夫，以色列人。理论 物理学家，现为以色列工学院工程材料系教授。
1972年，从位于以色列海法的以色列工学院获得博士 学位，随后在美国俄亥俄州赖特－帕特森空军基地航空 航天研究实验室从事了3年钛铝化合物研究。 1975年，谢赫特曼进入以色列工学院材料工程系工作。 1981年至1983年，谢赫特曼利用假期赴美国约翰 斯·霍普金斯大学从事合金研究并在此期间发现准晶体。
③ 达尼埃尔·谢赫特曼的科研态度
谢赫特曼说： “必须成为某个领域的 专家，这是第一位的。 当发现某个新事物的时 候，首先要确定它确实 是新事物，然后再试着 解释所看到的。如果相 信自己的话，就可以听 取他人的意见，但不要 被他们误导，不要放弃。 对我来说，我知道我是 对的。”
④ 成功的历程
谢赫特曼的发现在当时引起极大争议。因执意 坚持自己的观点，曾被要求离开他的研究小组。 “我被赶出了自己所在的研究团队，同事们说 我的研究让他们蒙羞。”谢赫特曼回忆说，“对 此，我并不在意，我深信自己是对的，他们是错 的。” 美国化学协会主席纳西· 杰克逊采访时表示： “因为他们认为这违反了自然‘规则’。” “他（鲍林）公开说：达尼埃尔· 谢赫特曼在胡 言乱语，根本没有什么准晶体，只有‘准科学 家’。”谢赫特曼回忆说。
2011年10月5日，获得诺贝尔化学奖，一人独享1000万瑞典 克朗（约合146万美元）奖金。 自1986年起，谢赫特曼已获 来自物理、化学等领域共计10余个奖项。
② 达尼埃尔·谢赫特曼的成就贡献
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。从根本上改 变了化学家们看待固体物质的方式。
准晶体的性能及其应用
准晶体的性能及其应用潘正根0943011041四川大学材料科学与工程学院摘要：1984年底, 美国国家标准局的Shechtman 等人报导了他们在急冷Al-Mn 合金中观测到五次对称电子衍射图的相, 它不具有传统晶体学的对称性，称这种具有5次对称而无周期平移序的物质为准周期性晶体（准晶）。
准晶体具有独特的属性，坚硬又有弹性、非常平滑，而且，与大多数金属不同的是，其导电、导热性很差，因此在日常生活中大有用武之地。
科学家正尝试将其应用于其他产品中，比如不粘锅和发光二极管等。
1准晶的性能1.1物理性能1.1.1密度准晶的密度比经过退火后得到的相同成分晶态相的密度约低2% , 这表明准晶中原子的排列虽然比较密集,但其有序度低于晶态合金。
1.1.2导电性与金属的导电性质相比，准晶显示出一种迥然不同的性质。
准晶一般有比较大的电阻；如在温度为4K 时二十面体准晶Al -Cu-Fe的电阻率ρ（4K）=4.3m Ω cm， I-Al-Cu-Ru 的电阻率ρ（4K）=30m Ω m。
当温度不太高时，准晶的电阻随温度的增加而减少，在AlCuCo 二维准晶中, 沿10次轴这个周期方向, 电阻随温度升高而增大（圆圈）, 与金属中的情况一致；而在与此正交的准周期方向, 电阻随温度升高而减小（圆点）, 与半导体相似。
这种反常的各向异性可能对制造电子器件有用。
美国贝尔实验室也在进行类似的研究。
准晶的电阻与其组分浓度有关。
实验发现，准晶的导电性能随样品质量的改善反而降低。
准晶异常的导电性能反映准周期结构对物理性能的影响，它可以从准周期系统中电子结构的异常性中得到解释。
1.1.3导热性与普通金属材料相比, 准晶材料的导热性较差。
在室温下准晶的导热率比铝和铜低两个数量级、比不锈钢低一个数量级,与常用的高隔热材料ZrO2 相近。
与准晶的电阻率一样,准晶的导热性也具有负的温度系数,并且对准晶结构的完整性也较为敏感,即准晶结构越完整其导热性越差。
准晶体材料的性质与应用
准晶体材料的性质与应用准晶体是一种介于晶体和非晶体之间的材料，其结构具有一定的有序性，但不符合传统晶体的周期性。
准晶体具有许多特殊的性质，因此在材料科学、物理学等领域有着广泛的应用。
1. 准晶体的性质准晶体的最显著特点是其结构对称性具有五重、八重等轴对称性，而非传统的三重对称性。
这种特殊的结构对称性在某些情况下可以表现出类似于激发物质的行为，使准晶体具有独特的物理和化学性质。
例如，准晶体具有很强的非线性光学效应、声学波的负折射、显微结构的“金点”等特殊性质。
准晶体的结构各异，但准晶体晶体的本质是长程有序的，这使得准晶体具有更高的热导率、强度和硬度，相比之下，非晶态材料通常有缺陷、孔隙和较差的热导率、强度和硬度。
因此，准晶体在透声学、膜、电池、催化剂、纳米制造等方面有非常广泛的应用前景。
2. 准晶体在透声学中的应用透声学是一种将短波长声波传输到材料中的方法，从而产生负群速的科技。
准晶体有效地抑制了声子传播，因此可以通过孔隙设计和微结构分析来制造出适用于透声学应用的板材。
准晶体透声学板材有更高的声学透射率和声学反射率，并能够有效地压制噪声和声振幅，广泛地应用于静音室设备、汽车、船舶等领域。
3. 准晶体在膜制造中的应用准晶体是一种理想的膜材料，具有优异的硬度、热导率和生物相容性。
这种材料可以被用作人工心脏和人工血管等医疗器械，用于治疗心血管疾病。
此外，准晶体膜还可以用作高温膜电容器和面层硬盘及其他数据存储设备的新型材料。
4. 准晶体在电池领域中的应用准晶体具有可缩放性，这意味着可以将其用于制造锂离子电池、钠离子电池和锂硫电池等大型储能设备。
这种物性可以让电池内的电解液更加均匀地分布，并减少了表面粘附问题，改善了电池的寿命和储能效率。
5. 准晶体在催化剂中的应用准晶体具有高比表面积、多结构和高度有序等特性，因此被广泛地应用于各种领域的催化剂中。
准晶体的多孔结构提供了大量的反应表面，因此可以有效地防止酸催化剂中的腐蚀和麻烦的沸腾等问题，同时也能提高反应速率。
准晶体的发现与应用
准晶体的发现与应用周宸材料科学与工程2009051005 2011-12-132011年的诺贝尔化学奖公布之后，科学界“天本地裂”。
来自以色列的科学家丹尼尔·舍特曼因发现准晶体而获奖。
准晶体颠覆了常年来的权威，打破了晶体学固有的格局。
所以，我对准晶体很感兴趣，于是查找了许多文献资料。
准晶体的定义是，物质的构成由其原子排列特点而定。
原子呈周期性排列的固体物质叫做晶体，原子呈无序排列的叫做非晶体，准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。
准晶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。
1982年，海法市以色列理工学院的丹尼尔•谢赫特曼（Daniel Shechtman）发现，一种铝锰合金好像具有五重对称性，也就是说，当其中的原子形成的图案旋转五分之一周（72度）时，图案看起来基本上是相同的。
其他研究人员都嘲笑该发现，因为当时这种排列被认为在数学上是不可能做到的。
然而，科学家们最终认识到，通过自身的排列，图案达到几乎重复但永远也不能重复时，固体中的原子可以得到这样的对称，变成“准晶体”。
先来讲一下为什么准晶体一直不被认为存在。
就像孩子们的简单游戏所证明的那样，该解释对晶体可能拥有的对称性提出了限制。
假如你想通过排列一模一样的瓷砖来铺盖桌面，利用重复的三角形瓷砖可以完成这项含有技巧的任务，所以有可能制造出具有三重对称性的晶体；利用四边形和六边形瓷砖也可以完成这项任务，因此也可以制造出四重和六重对称性的晶体。
但是，利用五边形瓷砖无法完成这项任务，因为瓷砖之间总会有空隙。
于是，不可能存在具有可重复排列的五重对称性晶体。
因此，准晶体难以存在。
但是，科学家可以这样做。
1982年4月8日上午，在马里兰州盖瑟斯堡市国家标准与技术研究院工作期间，谢赫特曼取了铝锰合金样品，为了防止结晶，他事先将样品速冻，并向其中发射了电子束。
如果这种材料中存在有序排列的原子，电子就会通过原子的表面衍射出来，并且以特定的角度显现出探测器可以辨认的图案。
准晶材料的发现和进展
准晶材料的发现和进展准晶材料是介于晶体和非晶体之间的一类特殊材料，具有无规则的原子排列规律，但却具备晶体材料的一些性质，如高强度和较好的耐磨性。
准晶材料的发现和进展对于材料科学和工程领域具有重要的意义。
下面将从准晶材料的发现、性质以及应用等方面对其进展进行详细介绍。
准晶材料的发现可以追溯到上世纪50年代，当时科学家对于金属结构的研究中发现了一些非晶态相，这些非晶态相具有一定的长程有序性。
到了上世纪70年代，丹麦科学家彼得·汀斯马克（Peter Z. Tien）在对于铝镓合金的研究中发现了第一个具有准晶结构的合金，这个合金的晶格结构具有五角旋转对称性，因此被命名为“五角型准晶体”。
此后，科学家们又陆续发现了其他具有准晶结构的合金，如铝铁硅合金、铝镍钴合金等。
准晶材料具有一些特殊的性质，首先是高硬度和高强度。
准晶材料的原子排列具备无规则的规律，因此具有较高的抗变形能力，可用于制造高强度的结构材料。
其次，准晶材料具有优异的耐磨性。
由于准晶材料的原子排列无规则，使得其表面的摩擦系数较小，能有效抵抗磨损和摩擦。
此外，准晶材料的热导率较低，抗氧化性较好，并且具有较高的化学稳定性，可以应用于高温和腐蚀环境下的材料。
准晶材料的进展为材料科学和工程领域带来了许多重要的应用。
首先，准晶材料被广泛应用于合金材料中。
通过调控合金中的元素比例，可以制备出具备特定准晶结构的合金，这些合金在航空航天、汽车制造等领域具有广泛的应用。
其次，准晶材料还可以用于制备高效的催化剂。
由于准晶材料具有丰富的表面活性位点和独特的电子结构，使得其在催化反应中表现出良好的催化活性和选择性，对于环境保护和能源开发具有重要意义。
此外，准晶材料还可以应用于摩擦学、电子器件等领域。
总之，准晶材料的发现和进展对于材料科学和工程领域具有重要的意义。
它们的独特结构和性质使得其在高强度结构材料、催化剂以及其他领域中得到了广泛应用。
随着对准晶材料的进一步研究和理解，相信准晶材料在更多领域中将发挥更大的作用。
准晶体的结构与物理特性研究
准晶体的结构与物理特性研究准晶体是介于晶体和非晶体之间的一种结构，它包含有细微的周期性结构，但又缺乏完全的周期性。
准晶体的发现使得研究人员更深入地了解了物质的结构和物理特性，并在材料科学等领域有着广泛的应用。
本文将介绍准晶体的结构与物理特性的研究现状。
一、准晶体的结构准晶体的结构与晶体有着相似之处，它们都包含有周期性的结构。
但相较于晶体，准晶体的周期性结构更为复杂和不规则。
早期的准晶体研究发现，准晶体具有一定的对称性，但不完全满足布拉格-费维条件，从而导致准晶体的X射线衍射图案不同于晶体的点阵图案。
随着研究的深入，准晶体的对称性已经有了更准确的描述方法。
例如1985年诺贝尔化学奖得主高斯曼通过分析准晶体的五重旋转对称性得出了120面体准晶体的宏观对称性。
二、准晶体的物理特性准晶体的物理特性不同于晶体，但也不同于非晶体。
因此，它们具有独特的性质。
以下将介绍准晶体常见的物理特性：1. 光学性质准晶体的光学性质因其结构的不规则性而具有较弱的吸收和反射能力。
这些性质使得准晶体在某些领域中具有一定的应用价值。
例如用于涂膜材料或者光学元件中。
2. 电学性质准晶体中存在大量的结构缺陷，这些缺陷导致准晶体中电子的运动受到限制，进而影响其电学性质。
然而，由于准晶体的结构多样，它们也可能显示出不同的电学性质。
例如在纳米晶体材料中，准晶体具有优异的场致发光性质，在某些情况下可以应用于荧光标记材料。
3. 磁学性质与电学性质类似，准晶体的磁学性质也受其结构缺陷影响，使得准晶体的磁学性质与晶体的不同。
有些准晶体的磁学性质随温度的变化呈现出不同的特性，这也为一些应用提供了优越的条件。
4. 力学性质准晶体的结构复杂，具有大量的结构缺陷。
这些缺陷可能导致准晶体表现出与晶体的不同力学性质。
例如，准晶体可以具有提高材料强度和韧性的效果，这在某些材料应用方面也具有较广泛的应用。
三、准晶体的应用由于准晶体具有丰富的结构和物理特性，使得它们在许多领域中都具有潜在的应用价值。
准晶体的研究及其进展
准晶体的研究及其进展准晶体是指在既不具备完全长程周期性，又不具备完全无序性的晶体结构。
自从准晶体被发现以来，其研究在材料科学和固态物理领域引起了广泛的兴趣。
本文将介绍准晶体的研究历程，以及在不同领域中的应用进展。
准晶体的研究历程可以追溯到20世纪60年代末，当时瑞士的丹尼尔·谢菲勒（Daniel Shechtman）在一次电子显微镜下观察到了铝合金中的一种新奇晶体结构。
他发现这种结构具有五重旋转对称性，在晶体学中是不被允许的。
因此，谢菲勒最初的观察被其他科学家认为是错误的。
然而，谢菲勒坚持验证了自己的观察，最终于1982年发表了他的研究成果，证明了准晶体的存在。
准晶体的发现对晶体学领域产生了巨大的冲击，因为它违背了传统晶体学中对晶体的定义和理解。
过去，晶体被认为是具有完美的时间和空间周期性的结构，而准晶体则打破了这种传统的观念。
准晶体的进一步研究揭示了其独特的结构特征。
准晶体结构由于其非传统的周期性，具有多重旋转对称性。
这种多重旋转对称性导致了准晶体表面上出现五边形、八边形和十边形等特殊的几何形状。
这些几何形状在传统晶体中是不被允许的，但在准晶体中却是常见的。
准晶体的应用也在不断发展。
在材料科学领域，准晶体具有多孔性和较低的密度，因此被广泛应用于陶瓷、合金和涂层材料等领域。
准晶体陶瓷具有优异的耐高温性能和高硬度，因此被用于制造高温环境下的零件和陶瓷刀具等。
准晶体合金具有良好的抗腐蚀性能和机械强度，因此被用于航空、汽车和医疗器械等领域。
此外，准晶体的光学性质也使其广泛应用于光学镜片、激光器和光学纤维等领域。
准晶体的研究进展也涉及到理论模拟和计算机模拟等方面。
随着计算机技术的发展，科学家能够通过模拟和计算来研究准晶体的结构和性质。
通过模拟和计算，科学家能够预测准晶体的稳定性、机械性能和光学性质等。
这些理论模拟和计算结果可以指导实验设计和材料制备，加快准晶体材料的研发和应用。
总之，准晶体是一种独特的晶体结构，其研究自发现以来一直在不断发展。
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准晶体的发现及应用
一．准晶体的定义
准晶体是一种介于晶体和非晶体之间的固体。
物质的构成由其原子排列特点而定。
原子呈周期性排列的固体物质叫做晶体，原子呈无序排列的叫做非晶体，介于这两者之间的叫做准晶体。
20世纪80年代初以前，科学界对固态物质的认识仅限于晶体与非晶体，而随着以色列人达尼埃尔·谢赫特曼的一次偶然发现，固体物质中一种“反常”的原子排列方式跳入科学家的眼界。
从此，这种徘徊在晶体与非晶体之间的“另类”物质闯入了固体家族，并被命名为准晶体。
二．准晶体的结构
银铝准晶体的原子模型
物质的构成由其原子排列特点而定。
晶体是指原子呈周期性排列的固体物质，单晶体都具有有规则的几何形状，像食盐晶体是立方体、冰雪晶体为六角形。
而原子呈无序排列的则叫做非晶体，非晶体没有一定的外形，介于这两者之间的叫做准晶体。
也就是说，准晶体具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的空间周期性。
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。
三．准晶体的发展历程
准晶体的发现，是20世纪80年代晶体学研究中的一次突破。
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，在晶体学及相关的学术界引起了很大的震动。
不久，这种无平移同期性但有位置序的晶体就被称为准晶体。
准晶体是1982年发现的，具有凸多面体规则外形的，但不同于晶体的固态物质，它们具有晶体物质不具有的五重轴。
如图给出的含钬－镁－锌三种金属的准晶体的正十二面体外型。
已知的准晶体都是金属互化物。
2000年以前发现的所有几百种准晶体中至少含有3种金属，如Al65Cu23Fe12，Al70 Pd21Mn9等。
但最近发现仅2种金属也可形成准晶体，如Cd57Yb10〔Natur e,2000,408:537〕。
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Al60Pd2 5Mn15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 diffractio n 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。
四．准晶体发现者获2011年度诺贝尔化学奖
诺贝尔奖评选委员会第102次颁出化学奖2011年度诺贝尔化学奖于北京时间10月5日揭晓，以色列理工学院的丹尼尔-谢德曼（Daniel Shechtman）因“发现准晶体”而一人独享了这一殊荣。
今年70岁的舍特曼将获得1000万瑞典克朗(约合140万美元)的奖金。
舍特曼发现了准晶体，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，舍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。
五．准晶体的应用
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。
在实际生活中，准晶体早已被开发为有用的材料。
像我们最常见的不粘锅炊具，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。
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。
此外，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。
在生物学中，Bernal 和 Fankuchen (1937) 对纯化的TMV（烟草花叶病毒）制剂应用了X射线分析法。
他们获得了病毒（粒体）杆宽度的准确估值，而且表明用盐使病毒沉淀产生的、有规则地进行二维排列的针形体应为准晶体（parac rystal）而非真晶体。