近日，北京科技大学新金属材料国家重点实验室教授何战兵与北京大学化学学院教授孙俊良，沈阳金属研究所研究员马秀良，瑞士苏黎世大学教授Walter Steurer合作，在Al-Cr-Fe-Si合金系中发现一种新的固体物质形态。这种新的物质形态与铝基十次准晶的结构相关，由周期排列的结构块之间镶嵌非周期结构块形成。它同时具有传统晶体材料的周期平移对称性和准晶体的准周期性，将晶体和准晶体结构上的矛盾巧妙的融合在这一新的固体物态之中。
常见的物质形态有固态、液态、液晶、气态、等离子态等。其中固态物质又可分为晶体，准晶体、非晶体。准晶体是一种不具有平移周期对称性，但具有长程取向有序的物质形态。以色列科学家D. Shechtman因于1984年11月12日首次将这一打破传统晶体学概念的新奇发现发表于Phy. Rev. Lett.而获得2011年诺贝尔化学奖。与此同时，中国科学家郭可信带领的研究团队独立地在过渡金属Ti-Ni合金中也发现了二十面体准晶，并被法国著名晶体学家，巴黎国立高等化学学院的教授Denis Gratias称为“中国相”。与传统的晶体材料不同，准晶体中没有一个可以周期性重复排列的单胞，因而不具有平移对称性。国际晶体学联合会也因此于1992年对晶体进行了重新定义：“晶体是能给出明锐衍射斑点的固体，非周期晶体是没有周期平移的晶体”。如水火不相容一样，周期平移性是准晶体和传统晶体最本质的区别之一。然而何战兵等发现的这种新的物质形态，巧妙地化解了晶体和准晶体在晶体结构上的这种“水火不相容”的矛盾，显示了原子排列的鬼斧神工。
研究者们通过透射电子显微学，特别是能达原子级分辨的球差矫正透射电子显微镜的研究，在Al65Cr15Fe10Si10和Al60Cr20Fe10Si10合金中发现了这种不同于任何已知物态的新奇物质形态(图1)。该物态由准晶相关的结构块组成，但其中一种取向的结构块呈周期排列，具有与晶体材料一样的平移单胞。而这些周期排列的结构块之间却镶嵌着一些非周期排列的结构块，不同于传统的晶体相。这些基本的结构块均存在于对应的十次准晶体中，且整个结构的傅里叶变换图上的强衍射斑点呈现明显的十次对称，说明其结构与十次准晶体的结构密切相关。由于其周期格子及非周期性镶嵌结构块的多样性和灵活性，因而该物质形态可以丰富多变。由于周期性结构块的存在，这种结构不属于准晶体，但其生成过程与准晶体及其近似相特有的相位子缺陷密切相关。该类物质态也不同于常见的非周期调制结构、一维管状主-客结构及关联无序冰结构，属于一种新的物质形态。虽然该类物质形态目前仅在合金中发现，但其结构特性不局限于合金体系，也可以存在于别的体系中，如有机材料，纳米自组装材料，多孔材料等，具有广泛性，代表着一种新的固体物质形态。虽然目前还未能对该物质的物性做深入地了解，但可预见会有一些与物质周期性相关的特殊物性。
该研究成果近日发表在经典的晶体学杂志Acta Crystallographica A: Zhanbing He, Yihan Shen, Haikun Ma, Junliang Sun, Xiuliang Ma, Hua Li, Walter Steurer, quasicrystal-related mosaics with periodic lattices interlaid with aperiodic tiles, Acta Cryst. (2020), A76, 137–144。
该研究获得国家自然科学基金面上项目 (51871015)及新金属材料国家重点实验室自主课题的资助。
图1. 一种新的固态物质形态。(a),(b)原子级分辨高角环形暗场-扫描透射电子显微像。其中黄色的扁六边形成周期排列，具有平移单胞。而镶嵌在它们之间的结构块则呈非周期排列。(c) 实验像的傅里叶变换。强衍射点呈现明显的十次对称，说明该结构跟准晶密切相关。(d)计算的周期结构块之间镶嵌非周期结构。其中黄色扁六边形成周期排列。这类计算结构不局限于这一种，可以千变万化，在晶体结构上具有广泛性。（贾孟杰 北京科技大学新金属材料国家重点实验室）
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