完整图文好读版本: http://0rz.tw/xfZXi 引言 2011年诺贝尔化学奖颁给以色列化学家丹尼尔．夏契曼 (Daniel Shechtman)，以表彰其 对於准晶体之发现与贡献。所谓准周期晶体，或称为准晶体 (quasicrystal)，是一种有 次序的排列结构，但不具有固定周期。准晶体模式可以不断填满可用空间，但缺乏平移 对称性。根据古典晶体限制定理，晶体只能拥有二、三、四或六重旋转对称轴，但准晶 体的布拉格绕射图案，以及其他对称特性，却呈现出五重旋转对称轴 1。已知准晶体可 以为五重、十重或廿重旋转对称，在空间中排列时会产生缺口或重叠，因而无法完全填 满空间 2。 简单来说，一个有次序的周期排列，如果缺乏平移对称性，就表示移位後的排列永远不 会与原来的排列完全相同。更精确的数学定义是，当n代表填补空间的维数时，没有多於 n – 1个线性独立的方向平移对称性；亦即一个准晶体的三维空间排列，只有两维的平移 对称性 1。 在数学上，准晶体已被证明可由一般方法推导，因此可将准晶体当作是一种高维晶格的 预测。正如同在平面上简单的曲线，可以从一个立体双锥形的切面获得，所以有二种（ 非周期性或周期性）排列，分别为二维和三维的部分，可以由假设性的超晶格 (hyperlattices) 之四维或更多的维度获得 1。 目前发现的准晶体，主要是以急速冷却的三金属合金或二金属合金为主，此外介於液体 和晶体之间的材料（所谓的液晶），也可存在五重对称性物相（同时也具有其他的柏拉 图固体 (platonic solid) 对称性）1。 发现准晶体的历史 在1982年4月8日上午，夏契曼在电子显微镜下，观察到违背自然规律的图像。夏契曼在 华府郊外的美国国家标准局实验室，发现了科学家以往认为不可能存在的全新化学结构 ，类似伊斯兰教传统建筑的马赛克镶嵌图案。此种结构出现传统结晶学不会有的对称性 ，而且为长程性，既不同於一般的晶体，也不是非晶体，所以称为「准晶体」。在所有 的固体物质中，认为原子是晶体内的组成物，一遍又一遍地重复规律性的对称图案。对 科学家来说，这种重复是为了获得一个晶体。然而，夏契曼的图像显示，他的晶体原子 被包装在一个不能重复的模式中 2,3。但是在当时，几乎所有科学家都不相信这样的结 果，甚至包括他的好友兼工作主管在内 2,4。不过因为夏契曼本身的坚持，以及逐渐有 更多人也观察到同样的现象，这种新的准晶体物质型态，才逐渐被科学界接受 4。 夏契曼於1982年首次观察到十重对称的电子绕射图案，但这些结果并没有立即公布，直 到两年後，伊兰．布莱什 (Ilan Blech) 利用电脑模拟，显示绕射图案为非周期性结构 。在1984年，夏契曼与布莱什以电脑模拟及绕射图案，首先联合发表题目为「迅速凝固 之Al6Mn显微组织」的论文 (The Microstructure of Rapidly Solidified Al6Mn, Metallurgical Transactions A, 16A (1984) 1005.)。後来，夏契曼等人再发表第二篇 题目为「远距离的方位次序及无平移对称性金属相」(Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry) 的论文。两份文件表现出五 重对称、清晰的绕射图样。该模式是从铝锰合金熔化後迅速冷却所得出的记录 1。 隔年，Ishimasa等人提出镍铬颗粒的十二重对称性。很快地，发现钒镍矽和铬镍矽合金 的八重绕射图案。多年来，陆续发现数百种不同成分与不同对称性的准晶体。第一种准 晶体材料的热力学不稳定，加热时，形成具有周期性的晶体。然而，在1987年，许多稳 定准晶体首次被发现，从而有可能产生大样本研究，并打开了潜在的应用大门 1。 因此，非周期性或准周期结构可分为两大类：那些不相称调制结构和复合材料结构，属 於晶体学点群对称性，而准晶体结构则属於那些非晶体学点群的对称性 1。 原本准晶体物质的新型态，被人戏称为「Shechtmanite」，然而夏契曼对准晶体之贡献 ，经过多年努力，已获得科学界的认可1。国际晶体学联合会最近建议把晶体定义为绕射 图谱呈现明确图案的固体（any solid having an essentially discrete diffraction diagram），用来代替原先的微观空间呈现周期性结构的定义 5。夏契曼在2011年，以他 在准晶体方面的研究，赢得诺贝尔化学奖。由拉尔斯所领导的诺贝尔化学委员会：「夏 契曼对於准晶体的发现，开启了原子和分子组合的新原则。」这也使得内化学模式产生 转变 1。 完整图文好读版本: http://0rz.tw/xfZXi --

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