近日，北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室何戰兵教授與北京大學化學學院孫俊良教授，瀋陽金屬研究所馬秀良研究員，瑞士蘇黎世大學Walter Steurer教授合作，
在Al-Cr-Fe-Si合金系中發現一種新的固體物質形態。這種新的物質形態與鋁基十次準晶的結構相關，由週期排列的結構塊之間鑲嵌非週期結構塊形成。它同時具有傳統晶體材料的週期平移對稱性和準晶體的準週期性，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。該研究成果近日發表在經典的晶體學雜誌Acta Crystallographica A （CiteScore: 19.44）。文章鏈接：
https://doi.org/10.1107/S2053273320000066
常見的物質形態有固態、液態、液晶、氣態、等離子態等。其中固態物質又可分為晶體，準晶體、非晶體。準晶體是一種不具有平移週期對稱性，但具有長程取向有序的物質形態。以色列科學家D. Shechtman因於1984年11月12日首次將這一打破傳統晶體學概念的新奇發現發表於Phy. Rev. Lett.而獲得2011年諾貝爾化學獎。
與此同時，中國科學家郭可信先生帶領的研究團隊獨立地在過渡金屬Ti-Ni合金中也發現了二十面體準晶，並被法國著名晶體學家，巴黎國立高等化學學院的Denis Gratias教授稱為“中國相”。跟傳統的晶體材料不同，準晶體中沒有一個可以週期性重複排列的單胞，因而不具有平移對稱性。
國際晶體學聯合會也因此於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，非週期晶體是沒有周期平移的晶體”。如水火不相容一樣，週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於任何已知物態的新奇物質形態(圖1)。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週期排列，具有與晶體材料一樣的平移單胞。而這些週期排的列結構塊之間卻鑲嵌著一些非週期排列的結構塊，不同於傳統的晶體相。
這些基本的結構塊均存在於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。由於其週期格子及非週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。由於週期性結構塊的存在，這種結構不屬於準晶體，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。該類物質態也不同於常見的非週期調製結構、一維管狀主-客結構及關聯無序冰結構，屬於一種新的物質形態。雖然該類物質形態目前僅在合金中發現，但其結構特性不侷限於合金體系，也可以存在於別的體系中，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。雖然目前還未能對該物質的物性做深入地瞭解，但可預見會有一些與物質週期性相關的特殊物性。
該研究獲得國家自然科學基金面上項目 (51871015)及新金屬材料國家重點實驗室自主課題的資助。論文作者感謝瑞典倫德大學Sven Lidin教授（曾任諾貝爾化學獎評審委員會評委、主席）的鼓勵和討論，感謝美國Nebraska大學李興中博士，中國地質大學（北京）李國武教授，湘潭大學楊奇斌教授，中科院物理所曹則賢教授的有益討論。感謝物理所楊新安老師在球差電鏡上提供的幫助。
圖1 (a)-(d) 由週期排列的結構塊之間鑲嵌非週期結構塊而形成的一種新的固體物質形態的HRTEM像。週期性排列的黃色六邊形結構塊間填充非週期性排列的結構塊；(e)，(a)中HRTEM像的FFT；(f)、(g) HRTEM像中六邊形、星形和啞鈴形基本結構塊原子級分辨率的HAADF-STEM像。
圖2. 由週期排列的黃色六邊形結構塊之間鑲嵌非週期結構塊而形成的一種新的固體物質形態的原子級分辨率HAADF-STEM像。其中黃色六邊形結構塊的平移週期性跟(2/1, 3/2)準晶近似相的晶胞的平移性相同，但不同於圖1中黃色六邊形結構塊的平移週期性。
圖3. 從(2/1, 3/2)近似相的結構出發，生成非週期結構塊鑲嵌於週期性結構塊之間的馬賽克結構的形成示意圖。這種新物質形態的生成跟相位子缺陷密切相關。
圖4. 常見的十次準晶相關變體及O1近似相的原子級分辨率的HAADF-STEM像。(a)、(b) 沿十次軸方向的十次準晶相關變體；(c)、(d) 沿[010]方向的O1近似相。這裡的結構不同於我們發現的由週期排列的結構塊之間鑲嵌非週期結構塊而形成的一種新的固體物質形態。
圖5. (a) 計算得到的由週期排列的結構塊之間鑲嵌非週期結構塊而形成的一種新的固體物質形態。其中黃色的六邊形結構塊是週期性的，別的結構塊非週期性地鑲嵌於週期性網格結構。週期排列和非週期期鑲嵌可以有非富多彩的各種組合；(b) (a)的FFT圖像。計算結果表明我們報道的這類新的固態物質形態具有多樣性和廣泛性。它雖然發現於合金系，但不侷限於合金體系。
論文通訊作者何戰兵教授師從我國準晶研究先驅郭可信先生，長期致力於準晶及其近似相的深入研究。近年來，該團隊利用球差矯正透射電子顯微鏡等先進的表徵技術，對Al-Cr-Fe-Si合金系中的十次準晶及其近似相進行了深入系統的研究，獲得了一系列創新性成果。例如：在Al60Cr20Fe10Si10四元合金中發現了一種全新結構的十次準晶體；在Al59Cr21Fe10Si10十次準晶中發現了迄今為止最大尺寸的十次對稱結構塊；在Al59Cr23Fe8Si10十次準晶中發現一種熱力學穩定的四元十次準晶並揭示了其穩定的原因。
同時，他們在Al-Cr-Fe-Si合金中發現了十多種新的複雜大單胞十次準晶近似相(含Fibonacci和非Fibonacci近似相)，並揭示了這些複雜近似相在晶格上和結構上的規律。值得一提的是，他們還發現有些大單胞準晶近似相可以具有完全相同的單胞，但晶體結構卻完全不同這一新奇的現象。這不僅揭示出準晶近似相跟傳統的小單胞晶體相在結構規律上的差異，也為理解這些複雜近似相的形成及與十次準晶之間的結構關係提供了思路。此外，他們提出的用一種單一結構塊描述近似相結構這一新方法，不僅大大簡化了複雜準晶近似相及其相關缺陷的描述，而且有利於發現多種近似相之間的結構關係。
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