诺贝尔奖-准晶的发现 2011年10月7日 • 物理学。 Rev.焦点 28, 14
2011年诺贝尔化学奖表彰了准晶的发现，准晶中的原子是长距离排列的，而不是传统晶体的周期性重复排列。
研究人员一直认为，原子的每一种晶体排列都必须有一个在各个方向上完美重复的图案。 但2011年诺贝尔化学奖承认了一种全新的晶体类别的发现，这种晶体的模式不会以传统方式重复。 以色列理工学院（Technion–Israel Institute of Technology）的丹尼尔·谢赫特曼（Daniel Schechtman）因与合作者在 物理审查信函 1984年。 该团队对金属合金原子结构的描述最终迫使科学家重新定义了“晶体”一词
晶体中原子的周期性重复排列类似于地板上没有缝隙或重叠的瓷砖图案。 数学家根据对称性对这些结构进行分类：对于每种模式，他们都会发现导致相同结构的变换，如旋转、反射和侧向移动。 相容对称有一些基本的几何规则。 例如，由重复的等边三角形组成的无限平铺图案通过围绕任何三角形中心的三倍旋转而保持不变。 但是，虽然五重对称可能适用于单个五边形，但它不能适用于周期平铺模式。
十倍的方式。 准周期模式具有较小的重复元素，但在较大的范围内并不完全重复（顶部）。 丹尼尔·谢赫特曼（Daniel Schechtman）的金属合金电子衍射图显示了具有十倍旋转对称性的斑点，1984年的研究人员认为这对于晶体来说是不可能的（底部）。 今天，研究人员称这种材料为准晶体，因为它的结构是准周期的。 1982年，Schechtman利用电子衍射实验直接揭示了金属样品的对称性和其他结构细节。 他在马里兰州盖瑟斯堡的国家标准局（现在的国家标准与技术研究所）工作，发现了一种快速冷却的铝锰合金，这种合金显示出被禁止的五重对称性。 令人惊讶的对称性出现在一个方向上，他的数据显示，电子衍射点排列在同心圆环中，每个圆环有十个点，而在其他方向上，圆环中有六个点，表明传统的六重对称性。 总的来说，衍射图案的对称性正好是二十面体的对称性。
研究人员知道，原子的二十面体排列很容易出现在密封的金属结构中。 但他们也知道，这种具有五倍轴的对称性对于任何周期性晶体都是严格禁止的。 这篇论文发表前花了两年时间，Schechtman和他的同事进行了仔细的检查，以排除其他可能性，例如，意外的斑点可能来自不同方向的结晶区域。 最后，他们表明二十面体对称性延伸到微米的距离，比原子间距大数千倍。
出版后六周内，当时在费城宾夕法尼亚大学的多夫·莱文和保罗·斯坦哈特在《物理评论快报》上发表了另一篇论文，解决了五重对称晶体的神秘性，并引入了“准晶”一词 [1] 他们说，只要结构是“准周期的”，二十面体对称性是允许的。例如，如果一个图案包含两个元素，它们以不同的周期重复，而这些周期的比率是不合理的，那么即使在很长的距离上，它们也永远不会“同步”。 因为它们不太重复，这样的模式可以避开对某些旋转对称性的通常禁止。
英国牛津大学（Oxford University）的罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）在20世纪70年代就玩弄过这种模式，几个世纪以前，伊斯兰建筑中也出现了同样的数学规则。 但没人料到它们会出现在真实的材料中，尤其是因为它们似乎需要一次精心构建整个无限模式。 随后的研究人员表明，准周期结构可以通过仅遵循控制真实晶体生长的局部规则来逐原子组装。
尽管准晶体材料具有独特的原子排列，但其行为与传统的相关材料没有太大区别，尽管电子以不同的方式散射，这可能会影响其电阻率和热阻率。 相反，它们的主要影响是数学。 哈佛大学（Harvard University）的彼得·路（Peter Lu）表示：“这让我们开始以一种新的方式思考结晶度。”。
–唐·门罗
唐·门罗（Don Monroe）是新泽西州默里山（Murray Hill）的自由科学作家。
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