今年諾貝爾化學獎得主夏契曼(Daniel Shechtman)因為發現準晶體(quasicrystals)而獲獎。

  準晶體又稱為擬晶,是一種介於晶體和非晶體之間的固體。準晶體具有完全有序的結構,然而又不具有晶體所應有的平移對稱性,因而可以具有晶體所不允許的宏觀對稱性。

   準晶體是其中原子的排列存在5次和6次以上對稱軸的一種特殊的晶體。它既不同於非晶體,也不同於真正完整的晶體。晶體是長程有序的固體,即整個晶體中原 子的排列都是很規則(有序,具有對稱性和周期性)的,並且不具有5次和6次以上的對稱軸。而非晶體是短程有序、長程無序的固體,也就是在小範圍內原子的排 列是規則(有序)的,但在大範圍內是不規則(無序)的。

  一種典型的準晶體結構是三維空間的彭羅斯拼圖(Penrose)。二維空間的 彭羅斯拼圖由內角為36度、144度和72度、108度的兩種菱形組成,能夠無縫隙、無交疊地排滿二維平面。這種拼圖沒有平移對稱性,但是具有長程的有序 結構,並且具有晶體所不允許的5次旋轉對稱性。

  1984年,夏契曼在快速冷卻的Al4Mn合金中發現了一種新的相,其電子衍射斑具有明顯的5次對稱性。推測這種結構具有三維空間的彭羅斯拼圖結構。這一發現在當時曾經震撼了凝聚態物理學界。後來在許多複雜的合金中也發現了此一現象。

  在實際運用上,準晶體已經被開發為有用的材料。例如人們發現,成份為鋁-銅-鐵-鉻的準晶體,具有低摩擦係數、高硬度、低表面能以及低傳熱性,正被開發為炒菜鍋的鍍層;含有鋁鐵銅三種元素的Al65Cu23Fe12則是十分耐磨,被開發為高溫電弧噴嘴的鍍層。

 

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