准晶体
简介
准晶体，亦称为“准晶”或“拟晶”，是一种介于晶体和非晶体之间的固体结构。在准晶的原子排列中，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。 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。准晶体的发现，是20世纪80年代晶体学研究中的一次突破。1982年4月8日，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年首次发现了纯天然准晶体。这种准晶体也同斐波那契序列有关，在斐波那契序列中，每个数字是前面两个数字之和。1753年，格拉斯哥大学的数学家罗伯特·辛姆森发现，随着数字的增大，两数间的比值越来越接近黄金分割率(一个与圆周率相类似的无限不循环小数，其值约为0.618)。科学家们后来也证明，准晶体中原子间的距离也完全符合黄金分割率。1982年，谢赫特曼在进行“衍射光栅”实验时，让电子通过铝锰合金进行衍射，结果发现无数个同心圆各被10个光点包围，恰恰就是一个10次对称。谢赫特曼当时认为“这是不可能的”，还在笔记本上写道：“10次?”然而，1987年，法国和日本科学家成功地在实验室中制造出了准晶体结构;2009年，科学家们在俄罗斯东部哈泰尔卡湖获取的矿物样本中发现了天然准晶体的“芳踪”，这种名为icosahedrite(取自正二十面体)的新矿物质由铝、铜和铁组成;瑞典一家公司也在一种耐用性最强的钢中发现了准晶体，这种钢被用于剃须刀片和眼科手术用的手术针中。
评价
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，而数学家们早已为准晶做好了理论铺垫，1974年，英国人彭罗斯（Roger Penrose）便在前人工作基础上提出了一种以两种四边形的拼图铺满平面的解决方案，如图2。对于Shechtman的准晶体衍射图案和彭罗斯的拼图来说，都有一个迷人的性质，就是在它们的形态中隐藏着美妙的数学常数τ，亦即黄金分割数0.618……。彭罗斯拼图以一胖一瘦两种四边形（内角分别为72度、108度和36度、144度）镶拼而成，两种四边形的数量之比正好是τ；同样的，在准晶中，原子之间的距离之比也往往趋近于这个值。接着，1981-1982年，Mackay把Penrose的概念推广到三维空间，两种三十面体穿插起来得到的二十面体对称性，并用光学变换仪得出五次对称的光学衍射图。[1]