新物質化解晶體和準晶體結構“水火不容”

　　北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室教授何戰兵與北京大學化學學院教授孫俊良、沈陽金屬研究所研究員馬秀良、瑞士蘇黎世大學教授沃特·斯陶爾合作，在Al-Cr-Fe-Si合金系中發現一種新的固體物質形態。近日，該研究成果發表在晶體學雜志《晶體學報A卷》，論文名為《周期點陣中鑲嵌有非周期結構塊的準晶相關馬賽克結構》。

一種新的固態物質形態。(a),(b)原子級分辨高角環形暗場-掃描透射電子顯微像。其中黃色的扁六邊形成周期排列，具有平移單胞。而鑲嵌在它們之間的結構塊則呈非周期排列。 (c) 實驗像的傅里葉變換。強衍射點呈現明顯的十次對稱，說明該結構跟準晶密切相關。(d)計算的周期結構塊之間鑲嵌非周期結構。其中黃色扁六邊形成周期排列。這類計算結構不局限于這一種，可以千變萬化，在晶體結構上具有廣泛性。

　　這種新的物質形態與鋁基十次準晶的結構相關，由周期排列的結構塊之間鑲嵌非周期結構塊形成。它同時具有傳統晶體材料的周期平移對稱性和準晶體的準周期性，將晶體和準晶體結構上的矛盾巧妙的融合在這一新的固體物態之中。

　　與傳統的晶體材料不同，準晶體中沒有一個可以周期性重復排列的單胞，因而不具有平移對稱性。也因此，國際晶體學聯合會于1992年對晶體進行了重新定義：“晶體是能給出明銳衍射斑點的固體，非周期晶體是沒有周期平移的晶體”。如水火不相容一樣，周期平移性是準晶體和傳統晶體最本質的區別之一。然而，何戰兵等發現的這種新的物質形態，巧妙地化解了晶體和準晶體在晶體結構上的這種“水火不相容”的矛盾，顯示了原子排列的鬼斧神工。

　　研究者們通過透射電子顯微學，特別是能達原子級分辨的球差矯正透射電子顯微鏡的研究，在Al65Cr15Fe10Si10 和Al60Cr20Fe10Si10合金中發現了這種不同于任何已知物態的新奇物質形態。該物態由準晶相關的結構塊組成，但其中一種取向的結構塊呈周期排列，具有與晶體材料一樣的平移單胞。而這些周期排的列結構塊之間卻鑲嵌著一些非周期排列的結構塊，不同于傳統的晶體相。這些基本的結構塊均存在于對應的十次準晶體中，且整個結構的傅里葉變換圖上的強衍射斑點呈現明顯的十次對稱，說明其結構與十次準晶體的結構密切相關。

　　由于其周期格子及非周期性鑲嵌結構塊的多樣性和靈活性，因而該物質形態可以豐富多變。由于周期性結構塊的存在，這種結構不屬于準晶體，但其生成過程與準晶體及其近似相特有的相位子缺陷密切相關。該類物質態也不同于常見的非周期調制結構、一維管狀主—客結構及關聯無序冰結構，屬于一種新的物質形態。

　　雖然該類物質形態目前僅在合金中發現，但其結構特性不局限于合金體系，也可以存在于別的體系中，如有機材料、納米自組裝材料、多孔材料等，具有廣泛性，代表著一種新的固體物質形態。