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。
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”。與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。
圖1. 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週期排列。(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)計算的週期結構塊之間鑲嵌非週期結構。其中黃色扁六邊形成周期排列。這類計算結構不侷限於這一種，可以千變萬化，在晶體結構上具有廣泛性。
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。
該研究成果近日發表在經典的晶體學雜誌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。文章鏈接：https://doi.org/10.1107/S2053273320000066
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。
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