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21世纪的新奇材料：准晶体 ——综述准晶体的奇异物性和可能用途 专业： 物理学 姓名： 张文斌 学号摘要：2011年10月5日诺贝尔化学奖揭晓，以色列科学家达尼埃尔?谢赫特曼（Danielshechtman）教授因发现准晶体(quasi-crystal)而独享这份殊荣。准晶体的发现给科技界带来了极大的震动，颠覆了传统晶体学理论，打破了晶体学固有的格局，成为各领域科学家关注的焦点，其具有的独特性能，也大大激发了人们对其研究的热情。本文主要从两个方面论述这一新奇材料：即准晶体的奇异物性和可能用途。 关键词：诺贝尔化学奖 准晶体 奇异物性 可能用途 正文： 2011年10月5日诺贝尔化学奖揭晓，以色列科学家达尼埃尔?谢赫特曼（Danielshechtman）教授因发现准晶体(quasi-crystal)而独享这份殊荣。诺贝尔化学奖评选委员会在发表的声明中表明：从原子级别观察准晶体形态，会发现原子排列具有规律，符合数学法则，但不以重复形态出现。获奖者的发现给科技界带来了极大的震动，颠覆了传统晶体学理论，打破了晶体学固有的格局，改变了科学家对固体物质结构的认识；准晶体的发现，因此而成为各领域科学家关注的焦点，其具有的独特性能以及可能用途，也大大激发了人们对它的研究热情。 准晶体及其发现： 何谓准晶体呢？所谓准晶体，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。准晶体具有完全有序的结构：在准晶体的原子排列中，其结构是长程有序的，这一点和晶体相似；但是准晶体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，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。 关于准晶体的发现，其过程具有很大的传奇性。关于这种长程有序的结构，其实早有发现，数学家在1960年代就推测出了这种对称模型；但是直到快20年后这种理论上的结构才和准晶体的研究联系起来。这次获得诺贝尔奖的丹尼尔·舍特曼是第一个正式报道发现了准晶的人。1982年4月8日，谢赫特曼正在美国霍普金斯大学从事研究工作，他发现的“准晶体”原子结构打破了传统晶体内原子结构必须具有重复性这一黄金法则，在科学界引起轩然大波；来自主流科学界、权威人物的质疑和嘲笑不断向他涌来，他甚至因此而被赶出自己的研究团队。1984年他和以色列理工学院的同事们在快速冷却的铝锰合金中发现了一种新的金属相，其电子衍射斑具有明显的五次对称性，这篇文章发表于物理评论通讯（Physical Review Letters ）上。依然会遭到质疑，但是他依然坚定信念不动摇；被主流科学界放逐多年之后，谢赫特曼终于“沉冤得雪”，获得了科学界最大的拥抱和认可。瑞典皇家科学院表示，他的发现“彻底改变了化学家们对固体物质的看法”。 美国普林斯顿大学的教授保罗-斯坦哈特表示：“谢赫特曼的发现彻底颠覆了具有200多年历史的认知，是一个引人瞩目的重大发现。” 准晶体的奇异物性 准晶体没有周期性，但具有准周期性。准周期是指质点的排列具有长程有序，但不体现周期重复。根据三维物理空间中材料呈现的维数，可以把准晶体分为三维准晶体、二维准晶体和一维准晶体。准晶体的各项性质，取决于其本身的化学组成和内部结构。一切准晶体的内部结构都共同遵循准晶体的空间准周期格子规律，并由此可以导出一切准晶体所共有的性质。由于准晶体结构中缺陷极为普遍，准晶体颗粒又十分细小(微米级)，而且还具有一些向晶态、玻璃态过渡的现象，因此准晶体的性质常常偏离理想状态。理论上的准晶体应有下述一些性质 ：均一性、各向异性、对称性、自限性、最小内能性、稳定性。 准晶体的性能主要包含以下三方面内容。第一，导电性能。与金属的导电性质相比，准晶体显示出一种迥然不同的性质。准晶体一般有比较大的电阻。当温度不太高时，准晶体的电阻随温度的增加而减少。准晶体的电阻与其组分浓度有关。实验发现，准晶体的导电性能随样品质量的改善反而降低。准晶体异常的导电性能反映准周期结构对物理性能的影响。第二，磁性能。对高电阻的准晶的磁阻，当温度不高时，准晶体磁致电阻情况很复杂，但若温度大于100K时，磁阻将随外场的增加而减少。这时的Kohler规律不在适用。第三，热性能。准晶体的热性能一般不高，即它的导热系数K很小，且与温度密切有关。 准晶体的可能用途 准晶材料具有的一系列性能特点，有较高的硬度、低摩擦系数、不粘性、耐蚀、耐腐等，使其从高技术领域如应用于航空航天器机翼和机身的表面涂层、航空发动机叶片上的热障膜以代替传统的氧化锆和锆钇氧化物,到一般工业