准晶体——21世纪的新奇材料

121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：09405130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。一、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2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（PhysicalReviewLetters）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。”二、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。三、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3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,到一般工业领域如用于轻合金表面涂层等。但准晶体材料在常温环境下呈脆性，这大大限制了准晶体的应用。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。不粘锅涂层：不粘锅涂层通常是利用喷涂技术将Al-Cu-Fe准晶颗粒沉积到基体上,并形成一个均匀薄膜。由于同时加入了Cr等合金元素,因此该薄膜除具有较低的表面能,即具有优良的不粘性能外,还具有优良的耐蚀性、耐高温性(可承受750℃高温)、高的硬度(是不锈钢硬度的2倍以上)和高的耐磨性。热障涂层：与航空发动机常用的隔热材料锆钇氧化物及其它隔热材料相比,准晶涂层具有密度低、硬度高、耐磨、耐蚀、耐氧化、使用温度高及易于制造等优点，因而能满足多种场合下的隔热要求。其形成方法也是利用喷涂技术在基体表面形成一层准晶薄膜。目前准晶热障涂层已在飞机和汽车发动机等部件中得到应用。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。太阳能选择吸收薄膜：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。准晶本身并不具备光的选择吸收特性，但准晶薄膜与高反射材料组成的多层结构材料，如“铜/绝缘体/准晶/绝缘体”对太阳光却具有选择吸收的特性。由此构成的绝缘体/准晶/绝缘体多层膜具有很高的热吸收率和很低的热发射率，与现有的工业化材料相比,虽然它们的热吸收率略有降低，但热发射率却要低得多。准晶复合材料：准晶弥散强化的特性,正在逐渐走向实用。本文前面提及的Al2Cu2Fe准晶颗粒/Al基复合材料已被用作轻质中温高强、高韧结构材料；由准晶弥散强化的低碳马氏体时效超高强度钢(硬度730HV,抗拉强度接近3000MPa)，则可望应用于医疗器械材料。Inoue等获得的由纳米尺度的Al-Mn-La、Al-Cr-La准晶颗粒增强的Al基合金，因具有优良的弯曲性能和高达1200～1400MPa的弯曲强度,而有望应用于航空工业。磁性材料：二十面体准晶的独特结构,很容易把它与软磁材料联系在一起。软磁材料的特点是高的磁导率,低的矫顽力和低的铁芯损耗。而二十面体准晶的4特点是具有极高的电阻率和较高的对称性(比任何晶态磁性材料都高),易磁化轴数比晶态多,各向异性的位垒低,畴壁运动或磁矩转动都比较容易,因而可以有效地降低矫顽力和铁芯损耗。所以,虽然二十面体准晶因具有磁各向异性而降低了磁导率,但仍有可能成为具有优异软磁性能的磁性材料。对于二维准晶,若易磁化轴是其周期排列的主轴,则有可能获得单轴各向异性的新的永磁材。由此可见,准晶对磁性的一个重要影响就是磁各向异性。虽然至今尚未获得真正的准晶磁性材料,但由近期开发的居里温度在300～500K的二十面体Al70-XPd15Mn15BX铁磁性准晶材料等成果可以相信,随着对准晶材料研究的不断深入,一定能开发出具有实际应用价值的准晶磁性材料。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。尽管其导热性很差，但因为其能将热转化为电，因此，它们可以用作理想的热电材料，将热量回收利用，有些科学家正在尝试用其捕捉汽车废弃的热量。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。结语：准晶体作为一种神秘而新奇的材料，它的发现，是一个划时代的发现，对于各个科学领域以及我们的日常生活都产生了很大的影响。它因其奇异物性改变了我们生活的很多方面，并且依然还有很多功用有待我们人类去开发利用。参考文献：1.百度百科：准晶体2.《以色列科学家发现“准晶体”》，科技日报，2011-10-083.李志强，徐洲，李小平等，《准晶材料的应用研究进展》[J].中国科技信息，2010.22:9～114.《谢赫特曼因发现准晶体独享2011年诺贝尔化学奖》，新华社，2011.115.吴玉芹、于凉云、张奇、李立冬，《2011年诺贝尔化学奖——准晶体简介》，开发应用6.董闯、王英敏、羌建兵、王清，《准晶：奇特而又平凡的晶体——２０１１年诺贝尔化学奖简介》，ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｔｕｒｅ7.伍陶陶、刘育、樊振军，《准晶材料的研究及应用》，中国地质大学(北京)材料科学与工程学院物理实验中心2011-12-10