CRYSTALLOGRAPHY, 2007, tomo 52, blg. 6, p. 966-972

QUASI CRYSTALS

UDC 538.9,538.911,538.915,538.93

QUASI CRYSTALS. ISTRUKTURA AT MGA ARI-ARIAN

© 2007 Yu. X. Vekilov, E. I. Isaev

Moscow State Institute of Steel and Alloys E-mail: yuri_vekilov@yahoo. com Natanggap noong 03/29/2007

Ang istraktura at mga katangian ng quasicrystals ay tinalakay. Isinasaalang-alang ang short- at long-range atomic order at ang impluwensya ng mga salik na ito sa pisikal na katangian. Ang pangangailangang pag-aralan ang mga pisikal na katangian sa mga temperaturang mas mataas sa temperatura ng silid ay binibigyang-diin. Ang mga promising application ay maikling binanggit.

PACS: 61.44.Br, 62.20.-x, 65.40.-b, 72.15.-v, 75.20.En

PANIMULA

Tatlong taon na ang lumipas mula noong First All-Russian Meeting on Quasicrystals at halos 22 taon pagkatapos ng unang ulat ni Shekhtman at iba pa sa pagmamasid sa isang yugto sa isang mabilis na pinalamig na Al-Mn alloy, ang pattern ng diffraction na kung saan ay isang set ng matalim Ang mga pagmuni-muni ng Bragg ay matatagpuan na may symmetry ng isang icosahedron, kabilang ang mga ipinagbabawal para sa mga pana-panahong sala-sala ng symmetry axis ng ika-5 order. Bago ang pagtuklas na ito, nalaman ang tungkol sa pagkakaroon ng icosahedral short-range order sa mga haluang metal na may mga kumplikadong istruktura, amorphous metal phase, sa crystalline boron na may icosahedrons ng 12 atoms na nakaimpake sa isang malaking rhombohedral unit cell, sa stable boron hydrides (B12H12), pati na rin sa mga kumpol ng alkali at marangal na metal, ngunit kaunting pansin ang binayaran dito (Frank - 1952, Frank at Kasper - 1958, Mackay - 1952). Halos sabay-sabay kay Shekhtman, nagbigay si Levin at Steinhardt ng teoretikal na katwiran para sa pagkakaroon ng mga taluktok ng Bragg sa isang sistemang may icosahedral symmetry. Ipinakita nila na ang pattern ng diffraction ng isang aperiodic packing na may icosahedral symmetry ay mayroong Bragg reflections sa isang siksik na hanay ng mga reciprocal space site na may mga intensity na naaayon sa mga nakuha sa Al-Mn alloy. Ang hindi kinaugalian na oryentasyong pangmatagalang pagkakasunud-sunod na ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng dalawang set ng reciprocal space vectors na may hindi katumbas na mga ratio ng haba na tinutukoy ng

"gintong ratio" t = 1 (1 + J5). Simula noon, maraming mga gawa ang lumitaw sa istraktura at mga katangian ng quasicrystals, at ang pag-aaral ng quasicrystals ay naging isang malayang sangay ng condensed matter physics.

Ang ulat ng mga may-akda sa Unang Pagpupulong ay tinalakay ang mga teoretikal na pamamaraan para sa pagsusuri ng istruktura ng mga quasicrystals (projection technique sa multidimensional space, mga modelo ng regular at random na quasicrystals, icosahedral glass, phasonic distortions), at maikling inilarawan ang mga katangian ng pisikal na katangian. Sa nakalipas na tatlong taon, nagkaroon ng pagbabago tungo sa praktikal na pananaliksik, ang mga artikulo sa quasicrystals ay naging bihira sa mga physics journal tulad ng, halimbawa, Physical Review B at Physical Review Letters, ngunit nagsimula silang lumitaw nang mas madalas sa Journal of Alloys and Compounds at iba pang inilapat na journal. Ang indikatibong kalakaran na ito, sa isang tiyak na kahulugan, ay, sa isang banda, ang pagkilala sa mga quasicrystal bilang praktikal na mahahalagang bagay, sa kabilang banda, "ang kalmado bago ang kaguluhan," dahil maraming mga katanungan sa pisika ng mga quasicrystal ay nangangailangan pa rin ng mga sagot. Kabalintunaan, hindi pa alam ang tungkol sa mga katangian ng mga quasicrystal sa mga temperatura sa itaas ng temperatura ng silid, kung saan dapat asahan ng isang tao ang mga epekto tulad ng paglitaw ng isang Drude peak sa conductivity sa isang may hangganang dalas, na wala sa mababang temperatura, isang malaking kontribusyon sa elektroniko. sa thermal conductivity at kapasidad ng init, atbp. Oo, at Ang tanong kung bakit umiiral ang mga quasicrystal ay may kaugnayan pa rin. Mayroong gawaing dapat gawin sa teoretikal na eroplano, dahil maraming mga iminungkahing paliwanag para sa mga ari-arian ay hindi maliwanag. Mga tampok ng istraktura at kemikal na bono, transportasyon ng elektron, ang papel ng mga electron sa thermal transport, ang physics ng magnetic phenomena, ang koneksyon ng mga katangian sa istraktura at mga tampok ng electronic spectrum - lahat ito ay ang paksa ng karagdagang pananaliksik. Ang higit na pansin ay dapat bayaran sa pag-aaral ng mga panaka-nakang approximant, dahil ang paghahambing sa kanila ay nagpapahintulot sa amin na paghiwalayin ang mga epekto ng aperiodic long-range at

mga lokal na order sa quasicrystals. Sa pagsusuring ito, nang hindi inuulit ang materyal mula sa ulat sa 1st Meeting, tinatalakay ang short-range at aperiodic long-range na pagkakasunud-sunod sa mga quasicrystal at ang impluwensya ng mga salik na ito sa mga pisikal na katangian. Ang mga prospect para sa karagdagang pananaliksik ay maikling tinalakay.

ISTRUKTURA

Ang mga quasicrystal ay nailalarawan sa pamamagitan ng aperiodic long-range order at symmetry, na ipinagbabawal para sa mga periodic system. Ayon sa uri ng simetrya, nahahati sila sa icosahedral (na may symmetry axes ng ikalimang pagkakasunud-sunod), pati na rin ang mga quasicrystals, na mayroong quasiperiodic na pag-aayos ng mga atom sa pana-panahong naka-pack na mga eroplano na patayo sa symmetry axes ng ikawalo (octagonal), ikasampu (decagonal), at ikalabindalawa (dodecagonal) na mga order. Ang lahat ng mga bukas na quasicrystals (at mayroong higit sa isang daan sa kanila) ay mga intermetallic na haluang metal batay sa aluminyo, magnesiyo, nikel, titanium, sink, zirconium, atbp. Ang hanay ng mga elemento ng alloying ay mas malawak, kung minsan ang silikon at germanium ay naroroon. Ang mga monoatomic na quasicrystalline na istruktura ay maaari lamang makuha sa artipisyal na paraan, sa pamamagitan ng lithography, molecular beam deposition, at optical induction. Ang mga quasicrystalline na haluang metal ay maaaring dalawa o higit pang bahagi, na may mga elemento mula sa iba't ibang panahon ng periodic table ng mga elemento ng kemikal; isang transition o rare earth (RE) na elemento ay halos palaging naroroon. Ang mga haluang ito ay maaaring makuha sa pamamagitan ng iba't ibang mga pamamaraan: mabilis na pagsusubo, volumetric na pamamaraan ng paglaki ng kristal, "katamtaman" na pagsusubo ng amorphous phase, mga reaksyon sa solidong estado, mekanikal na haluang metal, atbp.

Mula noong natuklasan ang mga quasicrystals, ang isa sa mga pangunahing problema ay ang tanong ng kanilang atomic na istraktura. Kasama ng aperiodic long-range order sa isang quasicrystal, mayroon ding short-range na local atomic order ng cluster type. Malaking pag-unlad sa pagtukoy sa istruktura ng icosahedral phase ay ang pag-unawa sa katotohanan na ang dalawang kumplikadong crystalline phase - mi12(a181)57 at mi32(a181)49 - ay nagpapakita ng lokal na isomorphism na may istruktura ng kaukulang quasicrystals. Ang bawat isa sa mga nabanggit na compound ay kumakatawan sa isang bcc packing ng mga cluster na binubuo ng dalawang concentric atomic shell na may icosahedral symmetry at naglalaman ng 54 atoms sa unang kaso (McKay icosahedron) at 44 atoms sa pangalawa (triacontahedral Bergmann cluster o Frank-Kasper phase). Para sa isang tambalang uri ng CdX (X = Yb, Ca, Lu), isang tipikal na kumpol na naglalaman ng 66 na mga atomo ay ang kumpol ng Tsai. Ang mga naturang compound na may periodic structure ay tinatawag na crystalline approximant-

mi quasicrystals. Sa lokal, ang mga istruktura ng mga approximant at quasicrystals ay isomorphic, tanging sa icosahedral quasicrystals ang kaukulang mga kumpol ay matatagpuan aperiodically sa espasyo, pinalamutian ang spatial aperiodic lattice (isang three-dimensional na Penrose na sala-sala, ang pangunahing mga yunit ng istruktura na kung saan ay dalawang rhombohedrons na nakaimpake ayon sa ilang partikular na bahagi. rules) at kapwa matalim ang isa't isa , upang ang quasicrystal ay hindi isang simpleng agglomerate ng mga cluster, ngunit isang spatial aperiodic na istraktura na may lokal na cluster order. ang istraktura ng kumpol ay katangian din ng "two-dimensional" na mga quasicrystal (mga kumpol ng column na may octagonal, decagonal at dodecagonal symmetry, ayon sa pagkakabanggit). Ang mga posisyon ng mga atom sa mga cluster ay maaaring matukoy sa pamamagitan ng mga pamamaraan tulad ng EXAFS spectroscopy at transmission scanning electronoscopy na may atomic resolution, at ang huling paraan ay direktang direkta at hindi nangangailangan ng paunang detalye ng isang structural model. Ang mga quasicrystal ay madalas na bumubuo malapit sa komposisyon na katangian ng pagbuo ng approximant. Samakatuwid, ang isa sa mga pinaka-maginhawang paraan upang maghanap ng mga bagong quasicrystalline compound ay ang pag-aaral ng mga compositional region sa phase diagram na malapit sa komposisyon ng kanilang mga crystalline approximant.

Ang tanong ng likas na katatagan ng enerhiya ng quasicrystals ay isa sa mga pangunahing at direktang nauugnay sa mga tampok ng elektronikong istraktura ng quasicrystals. Ang teoretikal na pag-aaral ng elektronikong istraktura ng mga quasicrystal ay kumplikado sa pamamagitan ng hindi naaangkop na teorem ni Bloch; nangangailangan ito ng impormasyon tungkol sa iba't ibang mga pagsasaayos, aperiodic long-range na pagkakasunud-sunod, lokal na simetrya, lokalisasyon ng mga elektronikong estado, mga topological na tampok ng chemical bond dahil sa quasicrystalline symmetry, resonant pagkalat ng mga elemento ng paglipat sa istraktura, atbp Ang isang mahalagang katangian ay ang density ng mga estado sa antas ng Fermi, na tumutukoy sa parehong katatagan ng istruktura at transportasyon at magnetic na mga katangian. Ang pang-eksperimentong data (kapasidad ng init, photoemission spectra, mga eksperimento sa tunnel, nuclear magnetic resonance (NMR)) at mga teoretikal na kalkulasyon ay nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng isang pseudogap sa density ng mga elektronikong estado sa antas ng Fermi. Kaya, ang katatagan ng quasicrystals ay maaaring dahil sa Hume-Rothery electronic na mekanismo, kapag, sa isang tiyak na ratio ng bilang ng mga valence electron sa bawat atom (e/a), ang antas ng Fermi ay bumagsak sa pseudogap at isang istraktura na naaayon sa Ang pinakamababang enerhiya ng system ay natanto. Ang bawat isa sa mga pangunahing kumpol sa itaas ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang tiyak na bilang ng mga electron bawat

atom e/a (e/a = XA(\ - CA) + 2ВСВ para sa binary alloy), halimbawa 1.7 para sa Mackay-type cluster, 2.15 para sa Bergmann-type cluster at halos 2.0 para sa Tsai cluster. Sa modelo ng hard band, ang mga panuntunan ng Hume-Rothery ay nakakatugon sa kundisyon 1C1 = 2cr, kung saan ang C ay ang reciprocal lattice vector na tumutugma sa mga unang maliwanag na reflection na bumubuo ng tinatawag na "Brillouin pseudo-band" sa quasicrystal; kr - Fermi pulse, 2kr = (3 n2(N/V))1/3 (ang dami ng totoong Brillouin zone sa quasicrystals ay walang katapusan na maliit, ~d3), V - volume ng kristal, N - bilang ng mga elementary cell sa volume, d - Planck's constant . Iba pang Hume-Rothery rules of thumb (ang pagkakaiba sa atomic radii ay hindi dapat lumagpas sa 15%, isang non-zero na pagkakaiba sa electronegativity) ay mahalaga din para sa pagtukoy ng mga stable na quasicrystalline na bagay. Ang paggamit ng mga panuntunang ito ay naging posible upang matuklasan ang mga matatag na quasicrystal ng ACheCi at

Upang higit pang basahin ang artikulo, kailangan mong bilhin ang buong teksto

ZOTOV A.M., KOROLENKO P.V., MISHIN A.YU. - 2010

Ang isa sa mga pangunahing kahihiyan ng modernong pisika at phenomena na hindi maipaliwanag hanggang ngayon ay mga quasicrystals. Ang quasicrystal ay isang solidong katawan na nailalarawan sa pamamagitan ng simetrya, ipinagbabawal (!) sa klasikal na crystallography, at ang pagkakaroon ng pangmatagalang pagkakasunud-sunod (pagkasunud-sunod sa magkaparehong pag-aayos ng mga atomo o molekula sa isang sangkap (sa isang likido o solidong estado), na ( hindi tulad ng short-range order) ay inuulit sa walang tiyak na malalaking distansya). Ang pagkakasunud-sunod ng pangmatagalang koordinasyon ay pangunahing nakikilala ang mga quasicrystal mula sa mga likido at amorphous na katawan, at ang kawalan ng mga sublattice - mula sa mga non-stoichiometric compound na tinatawag na. alchemical na ginto (Hg3-dAsF6). Iyon ay, ang isang quasicrystal ay isang bagay na, ayon sa opisyal na opinyon ng modernong pisika, ay hindi maaaring umiral at hindi dapat umiral, ngunit kung ano ang umiiral at aktwal na umiiral, na isa pang kumpirmasyon ng kamalian at dead end ng mga modernong pisikal na diskarte.

(sa larawan sa simula ng artikulo ay isang pattern ng electron diffraction ng isang quasicrystal Al6 Mn)

Ang mga kilalang quasicrystal ay kadalasang mayroong maraming "kakaibang" katangian (iyon ay, na tila hindi umiiral). Kabilang dito ang sobrang lakas, sobrang paglaban sa init, at hindi konduktibiti ng kuryente, kahit na ang mga metal sa kanilang komposisyon ay karaniwang gumaganap bilang mga conductor. Ang mga quasicrystals (ang kalikasan nito ay hindi nauunawaan ng mga modernong siyentipiko) ay gayunpaman ay nangangako ng mga kandidato para sa mga materyales para sa mataas na enerhiya na imbakan, mga bahagi ng metal matrix, thermal barrier, mga kakaibang coatings, infrared sensor, high power laser at electromagnetism. Ang ilang mga high-strength alloys at surgical instruments ay available na sa merkado.

Atomic na modelo ng isang Al-Pd-Mn quasicrystal

Sa The Lost Science of Jerry Vassilatos, mayroong isang nakakaintriga na mungkahi na ang mga quasicrystal ay maaaring natural na mangyari sa ilang mga bato. Tila, si Dr. Charles Brush, isang Amerikanong pisikal na chemist na nag-aral ng gravity noong panahon ng Victoria, ay nakakita ng ilang mga bato na kilala bilang Linz basalts na mas mabagal na gumuho kaysa sa iba pang mga materyales, sa maliliit ngunit masusukat na mga tipak. Sa karagdagang pagsusuri, natuklasan din niya na nagtataglay sila ng hindi pangkaraniwang dami ng "sobrang init." Bagama't parang baliw ito sa karamihan ng mga tao, lahat ito ay may perpektong kahulugan kapag naaalala natin ang mga sumusunod. Kung mayroong tamang istraktura (at nangangahulugan ito, una sa lahat, tamang geometry - na may axial at radial symmetry), posible na lumikha ng isang shielding ng gravity at "pull" na enerhiya nang direkta mula sa nakapalibot na espasyo.

Si Dr. Thomas Townsend Brown ay nakakuha ng mga sample ng mga batong ito at nalaman na sila ay kusang naglalabas ng nakakagulat na mataas na boltahe. Ang simpleng pagkonekta ng mga wire sa mga bato ay maaaring makagawa ng ilang volts. At kung pinutol mo ang mga ito sa maraming piraso, maaari kang makakuha ng isang buong bolta ng libreng enerhiya sa pamamagitan ng pagkonekta sa mga ito nang magkasama. Natuklasan din ni Brown na ang mga baterya na ginawa mula sa naturang mga bato ay nagiging mas malakas sa alas-sais ng gabi at humihina sa alas-siyete ng umaga, na nagpapahiwatig na ang solar radiation ay may di-harmonic na epekto sa "hugot" na enerhiya. Mas mahusay din ang pagganap ng mga baterya sa mas matataas na lugar, marahil dahil sa pyramidal na impluwensya ng mga bundok. Ang iba pang mga mananaliksik, tulad ng Godovanek, ay nakapag-iisa na nadoble at nakumpirma ang mga resulta.

Ayon kay Vassilatos, naglakbay ang mga mananaliksik sa Andes at nakakuha ng 1.8 volts mula sa isang bato. Kung mas maraming grapayt ang nasa mga bato, mas maraming stress ang ginawa nila. Pinakamaganda sa lahat, natuklasan ni Brown na ang mga bato ay naglalabas ng dalawang magkaibang signal ng kuryente. Ang isa ay matatag at ang iba ay nagbabago depende sa aktibidad ng solar at ang mga posisyon at pagsasaayos sa pagitan ng Araw at Buwan. Natuklasan din niya na ang malayong mga pulsation ng gravity sa kalawakan ay lumikha ng maliliit na electrical flashes sa mga bato. Ang mga singil ay nilikha din ng mga batong mayaman sa kuwarts. Na-detect ni Brown ang aktibidad ng pulsar at supernova bago pa ito iniulat ng mga radio astronomer, pati na rin ang mga solar flare, bagaman ang mga bato ay naprotektahan mula sa radyaktibidad, init at liwanag.

Sa parehong aklat, isiniwalat ni Vassilatos ang gawa ni Dr. Thomas Henry Moray, isa pang hindi kilalang siyentipiko na tila nakatuklas ng mas makapangyarihang bato na may katulad na mga katangian. Tinawag ito ni Moray na "Swedish stone" at hindi sinabi kung saan ito nanggaling. Natagpuan niya ang malambot na kulay-pilak-puting metal na ito sa dalawang magkaibang lugar - ang isa sa bato na nakalantad sa mala-kristal na anyo, ang isa naman sa malambot na puting pulbos na diumano'y nasimot sa isang riles ng tren. Nang sinubukan niyang gamitin ang kristal bilang piezoelectric detector para sa mga radio wave, napakalakas ng signal kaya nasira nito ang kanyang mga headphone. Kahit na ang isang napakalaking loudspeaker ay nasira ng napakataas na boltahe nang ito ay nakatutok sa isang partikular na istasyon ng radyo. Nagamit ni Moray ang materyal na ito upang lumikha ng napakalakas na aparato para sa pagbuo ng libreng enerhiya. Kahit na ang unang prototype, na gumamit ng isang piraso ng Swedish stone na kasing laki ng relo, ay maaaring sabay na magpapagana ng 100-watt na bumbilya at isang 665-watt na electric heater. Ang mas malalim na pag-ground niya, mas maliwanag ang liwanag. Noong 1925, ipinakita niya ang teknolohiyang ito sa General Power Company sa Salt Lake City at sa ilang kwalipikadong saksi mula sa Brigham Young University. Sinubukan nila ang kanilang makakaya upang patunayan na ito ay isang panloloko. Pinahintulutan pa silang i-disassemble ang instalasyon, ngunit wala silang nakitang anuman. Kalaunan ay nakabuo si Moray ng mga prototype na may kakayahang magpalabas ng 50 kilowatts ng kuryente—sapat na para magpatakbo ng isang maliit na pabrika sa buong araw, araw-araw, nang hindi nagsasara o kailangang magbayad para sa kuryente.

Nagsimulang subukan ni Moray na makakuha ng patent noong 1931, ngunit patuloy na tinanggihan. Noong 1939, nagpadala ang Rural Electrification Association ng ilang “scientific expert” para makipagkita kay Moray. May dala pala silang mga sandata at gusto siyang patayin, ngunit si Moray ay may sariling mga sandata, at napilitan silang umatras. Dahil dito, pinalitan ng scientist ang lahat ng salamin sa kanyang sasakyan ng bulletproof na salamin at patuloy na may dalang revolver. Siya ay hindi kailanman nabalisa muli, ngunit ang kanyang pambihirang teknolohiya ay hindi kailanman nakita ang liwanag ng araw.

Nang maglaon ay natuklasan niya na ang Swedish stone ay gumawa ng iba pang kakaibang bagay. Halimbawa, nalaman niya na, gamit ang isang karaniwang radyo, maaari niyang tune-in ang mga tunog ng mga taong nagsasalita at iba pang pang-araw-araw na gawain sa malalayong distansya, kahit na walang mga mikropono sa mga lugar na iyon. Espesyal na naglakbay ang siyentipiko sa mga lugar kung saan nanggaling ang tunog at kinumpirma ang kanyang narinig. Natuklasan din niya na ang mga bato ay may kakayahang gumawa ng makabuluhang epekto sa pagpapabuti ng kalusugan. Pagkatapos, noong 1961, nalaman niya na maaari niyang idirekta ang mga patlang ng enerhiya na nilikha ng mga aparato upang palaguin ang mga microcrystals ng ginto, pilak at platinum mula sa basurang bato na kinuha mula sa site kung saan nakuha ang mga Swedish na bato. Ang bato na karaniwang naglalaman lamang ng 5 gramo ng ginto bawat tonelada ay maaaring gamitin upang makagawa ng halos 3 kg ng ginto at 6 kg ng pilak. Sa katunayan, natanto niya ang pangarap ng mga medieval alchemist, sa kasong ito sa pamamagitan ng pagsisimula sa maliliit na kristal ng ginto, pilak o platinum na nasa lupa na at naging sanhi ng paglaki ng mga ito tulad ng mga buto. Gamit ang mga katulad na pamamaraan, nakagawa siya ng tingga, na natutunaw lamang sa mga temperaturang higit sa 2,000°F, at mataas na lakas, lumalaban sa init na tanso, na ginamit niya bilang pansuportang ibabaw para sa mga high-speed na motor. Ang isa pang haluang metal na kanyang binuo ay maaaring painitin hanggang 12,000°F nang hindi natutunaw. Ayon kay Vassilatos, sinubukan mismo ni Moray na i-synthesize ang "Swedish stone" at isinailalim ito sa exhaustive microanalysis. Ang alam ngayon ay ang pangunahing sangkap ay ultra-pure germanium, na naglalaman ng maliit, medyo hindi nakakapinsalang dami ng radiation na madaling maprotektahan.

Noong 1950s, nakahanap ang retiradong electrical engineer na si Arthur L. Adams ng isang makinis, silver-gray na materyal sa Wales na gumawa ng hindi pangkaraniwang dami ng enerhiya. Kapag ang isang espesyal na baterya na ginawa mula sa mga piraso ng mga batong ito ay inilubog sa tubig, ang enerhiya ay tumaas nang malaki, at kapag ang mga bato ay tinanggal, ang tubig ay patuloy na gumagawa ng elektrikal na enerhiya sa loob ng maraming oras. Kinumpiska ng mga awtoridad ng Britanya ang lahat ng mga artikulo at materyales ni Adams, na sinasabing ito ay para sa "hinaharap na pampublikong pamamahagi." Malinaw na hindi nagustuhan ng isang tao ang mga pagtuklas na ito.

Ang mga batong may natural na Fe-Cu-Al na quasicrystal ay natagpuan sa Koryak Highlands noong 1979. Gayunpaman, noong 2009 lamang itinatag ng mga siyentipiko mula sa Princeton ang katotohanang ito. Noong 2011, naglathala sila ng isang artikulo kung saan sinabi nila na ang quasicrystal na ito ay mula sa extraterrestrial na pinagmulan (tila, walang mas matalinong naisip). Noong tag-araw ng 2011, sa panahon ng isang ekspedisyon sa Russia, natagpuan ng mga mineralogist ang mga bagong sample ng natural na quasicrystals.

Ang mga quasicrystal ay unang opisyal na naobserbahan ni Dan Shechtman sa mga eksperimento sa electron diffraction sa isang mabilis na pinalamig na Al6Mn alloy, na isinagawa noong Abril 8, 1984, kung saan siya ay ginawaran ng Nobel Prize sa Chemistry noong 2011. Ang unang quasicrystalline alloy na natuklasan niya ay tinatawag na Shechtmanite. Ang artikulo ni Shekhtman ay hindi tinanggap para sa publikasyon nang dalawang beses at kalaunan ay nai-publish sa isang pinaikling anyo sa pakikipagtulungan sa mga sikat na espesyalista na sina I. Blech, D. Gratias at J. Kahn, na kanyang naakit. Ang resultang pattern ng diffraction ay naglalaman ng matalim (Bragg) na mga taluktok na tipikal ng mga kristal, ngunit sa pangkalahatan ito ay may puntong simetrya ng isang icosahedron, iyon ay, sa partikular, mayroon itong fifth-order symmetry axis, na imposible sa isang three-dimensional na periodic sala-sala. Ang eksperimento sa diffraction sa una ay pinahintulutan ang paliwanag ng hindi pangkaraniwang kababalaghan sa pamamagitan ng diffraction sa maraming crystalline na kambal na pinagsama sa mga butil na may icosahedral symmetry. Gayunpaman, sa lalong madaling panahon mas banayad na mga eksperimento ang nagpatunay na ang simetriya ng mga quasicrystal ay naroroon sa lahat ng mga kaliskis, hanggang sa atomic, at ang mga hindi pangkaraniwang sangkap ay talagang isang bagong istraktura para sa organisasyon ng bagay.

Ang madla ay dumidikit sa carpet Structure ng isang quasicrystal

Ang Nobel Prize ay naibigay na ng dalawang beses para sa mga sangkap na hindi dapat umiral. Sa unang pagkakataon ay graphene, na walang naniniwala, sa pangalawang pagkakataon - mga quasicrystal, na, ayon sa klasikal na teorya, ay hindi maaaring umiral.

Hindi nila magagawa, ngunit nagpapatuloy sila.

Sa tingin ko ay hindi na kailangang pag-usapan ang praktikal na paggamit ng mga kristal sa Habré. Ang mga quasicrystals ay may katulad na saklaw ng aplikasyon, at mayroon silang dalawang mahalagang katangian - una, ang mga ito ay may kakayahang palakasin ang mga pinagsama-samang materyales (halimbawa, upang makabuo ng mga ultra-malakas na bakal - mga karayom ​​para sa mga operasyon ng mata), at, pangalawa, kapag pinalamig, ang quasicrystal nagiging insulator, at kapag pinainit - konduktor. Naturally, may mga magagandang prospect sa mga teknolohiya ng LED at sa pangkalahatan sa lahat ng bagay na nagsisimula sa "nano" sa mabuting kahulugan ng salita.

Noong nakaraang linggo, nag-host ang Digital October ng lecture ni Paul Steinhardt, isang scientist na naglakbay sa Chukotka para maghanap ng mga natural na quasi-kyrystals at dumaan sa isang buong kuwento ng detective para makakuha ng mga sample.

Ngunit magsimula tayo sa simula.

Ano ang isang quasicrystal?

Sa esensya, ito ay isang kumplikadong "naka-pack" na sangkap na may regular na istraktura. Ang pagkakaiba sa mga ordinaryong kristal ay ang istrakturang ito ay hindi dapat umiral para sa isang buong listahan ng mga dahilan. Napatunayan na na posible ang simetrya ng ikalawa, ikatlo, ikaapat at ikaanim na pagkakasunud-sunod, ngunit para sa ibang mga kaso, sa pangkalahatan ay imposible. Sa anumang kaso, iyon ang iniisip nila noon. Halimbawa, ang karaniwang istraktura ng carbon crystal lattice ay gumagawa ng brilyante. Ang hexagonal na istraktura ay gumagawa ng grapayt, na may iba pang mga katangian.

Sa kabilang banda, imposible, halimbawa, ang pag-tile ng isang eroplano na may mga regular na pentagons, tulad ng itinuturing na imposible para sa mga decagon. Gayunpaman, noong 1982, ipinakita ni Shechtman (na tumanggap ng Nobel Prize sa Chemistry noong 2011) na ang mga naunang ideya ay hindi tama.

Mga bahagi ng isang quasicrystal sa modelo

Paano posible na i-pack ang sangkap nang mahigpit?

Gamit ang iba't ibang istruktura. Sa halos pagsasalita, ang mga ito ay hindi lamang mga pentagon, kundi pati na rin ang iba pang mga hugis na nangyayari sa iba't ibang mga frequency. At ang relasyon sa pagitan ng mga frequency na ito ay hindi isang makatwirang numero, iyon ay, hindi ito maaaring ilarawan bilang relasyon ng dalawang integer. Alinsunod dito, ito ay kung paano lumitaw ang terminong "quasicrystals", o "quasiperiodic crystals", o "quasiperiodic solids".

Quasicrystal na pagpupulong

Mula noong 1984, higit sa 100 iba't ibang mga quasicrystals ang nakuha sa mga laboratoryo, ngunit pinaniniwalaan na ang pagbuo ng naturang mga sangkap sa kalikasan ay imposible lamang, dahil ang istraktura ay lubhang hindi matatag. At ngayon ang nakakatuwang bahagi - natagpuan ni Steinhardt ang eksaktong isang natural na ispesimen.

Isa pang carpet

Saan niya ito napulot?

Sa isang lokal na museo ng Russia sa labas ng pangunahing katalogo. Ang ispesimen ng "Khatyrkit" ay natagpuan sa pampang ng Khatyrka River, sa Autonomous Okrug ng Chukotka sa Koryak Highlands.

At sinubukan naming magtrabaho kasama ang piraso na ito sa loob ng ilang taon. Ang taglamig ng 2008 ay nagsimula na doon. Sa pangkalahatan, pinutol namin ang umiiral na sample. Napaka manipis na mga seksyon, tulad ng nakikita mo, kalahating micrometer. At inaasahan namin na magkakaroon kami ng access sa magagandang spectrometer at magagandang mikroskopyo. Ngunit sinabi sa amin na sila ay nai-book na ng ibang mga mananaliksik para sa susunod na tatlong buwan. Ngunit nakipag-ayos ako sa direktor ng X-ray center sa unibersidad, at siya at ako ay nagpunta sa laboratoryo nang magkasama sa alas singko ng umaga sa Araw ng Pasko. Hindi kami mapapatawad ng aming pamilya sa oras na iyon, ngunit naunawaan namin na kung hindi kami pupunta sa araw na iyon, kailangan naming maghintay ng isa pang tatlong buwan. At namangha ako sa nakita namin. Dahil kapag inilagay namin ang sample na ito sa isang electron microscope, nakita namin kaagad ang isang pattern ng diffraction. Isang ganap na kamangha-manghang, halos perpektong pattern ng diffraction ng isang tunay na quasicrystal.

Paano lumitaw ang istrukturang ito sa loob ng bato?

Kinuha ni Paul ang data sa mga geophysicist, na ipinaliwanag na imposible ito, dahil ang haluang metal ng aluminyo, tanso at bakal ay kailangang mag-oxidize sa ilalim ng mga natural na kondisyon. Sa totoo lang, sinubukan ng mga physicist na ipaliwanag na ang paghahanap ay hindi isang natural na pormasyon, ngunit isang piraso ng gawa ng tao na basura na natira mula sa isang refinery o nuclear reactor ng Russia (well, alam mo, nandiyan sila sa bawat pagliko). May dalawang teorya si Paul: tungkol sa pagbuo ng materyal sa napakalalim (kung saan walang masyadong oxygen) o sa kalawakan (kung saan mas kaunti pa). Kinailangan na makahanap ng higit pang mga sample upang ma-verify ang natural na pinagmulan ng mga quasicrystal.

Assembly at disassembly

Anong susunod?

Susunod - isang taon at kalahati ng paghahanap, isang paghahanap ng tiktik para sa mga miyembro ng unang ekspedisyon, paghahanap ng isang tao mula sa kanila, oras sa mga laboratoryo, kumpirmasyon ng teorya tungkol sa pinagmulan ng meteorite ng mga materyales - at kagamitan para sa pangalawang ekspedisyon sa Anadyr , kung saan natagpuan ang khatyrkite.

Ang unang data ng pagsusuri ay nagpakita na kami ay talagang pumili ng napakahusay na materyales ng meteorite na pinagmulan. Nakikita mo, sa gitna ng batong ito ay may napakatalino na sample, isang piraso na ganap na tumutugma sa komposisyon ng kemikal na hinahanap namin, at may pattern ng diffraction na tumutugma sa isang quasicrystal. At ang mineral na aming natagpuan, tinawag naming icosahedrite, dahil mayroon itong pattern ng diffraction na ganap na tumutugma sa isang regular na icosahedral na sala-sala. Siyempre, ang ekspedisyon namin na ito at ang katotohanang personal naming hinukay ang lahat ng mga sample na ito ay nagdagdag ng kredibilidad sa aming pananaliksik sa mata ng siyentipikong komunidad. Kung ipapakita mo ang data na ito sa mga eksperto sa meteorite, agad nilang sasabihin sa iyo kung ano ito. Ito ay isang tipikal na halimbawa ng isang CV3 meteorite, o carbonaceous chondrite. Bukod dito, sa gitna ng chondrite na ito ay makikita mo ang isang makintab na piraso na hindi pa namin nakita sa kalikasan. Mahirap sa yugtong ito na magpasya kung kailan nabuo ang quasicrystal na ito. Either ito ay kapareho ng edad ng nakapalibot na bato, mga 4.5 bilyong taong gulang, o ito ay nabuo... Ngunit kami ngayon ay naghuhukay sa paksang ito. Nagpapatuloy kami ngayon mula sa katotohanan na ang quasicrystal na ito ay lumitaw sa bukang-liwayway ng pagkakaroon ng Solar System, maraming bilyong taon na ang nakalilipas, sa panahon ng banggaan ng mga meteorite. Ipinapalagay namin na ang meteorite na ito ay nahulog sa Khatyrka basin medyo kamakailan lamang, marahil mga 10 libong taon na ang nakalilipas. Noong huling panahon ng yelo. Nang ang mga clay na bato ay bumababa sa batis na ito na may ilang uri ng masa ng yelo. Ipinagpatuloy namin ang aming trabaho, nais kong umaasa na kami ay makatuklas pa ng ilang mga lihim.

Talakayan: nangungunang mga eksperto sa Russia sa larangan

0

gawaing kurso

Quasicrystals

Saint Petersburg
2012

Nilalaman
1. Panimula............................................... ................................................... ...... ... 2
2. Istraktura ng mga quasicrystals............................................. ..... ............................... 5
2.1 Mga uri ng quasicrystals at mga pamamaraan para sa kanilang paghahanda......................................... ........... 5
2.2 Mga pamamaraan para sa paglalarawan ng istraktura................................................ ....... ................... 8
3. Electronic spectrum at katatagan ng istruktura.................................... 14
4. Excitation ng sala-sala............................................ ........ .......................... 17
5. Mga pisikal na katangian ng quasicrystals............................................ ...... .... 20
5.1 Mga katangian ng optikal .............................................. .................... ................................. 20
5.2 Superconductivity................................................... ... ............................... 21
5.3 Magnetismo................................................ ... ................................................... 23
5.4 Thermal conductivity.............................................. .... ................................ 26
5.5 Mekanikal at pang-ibabaw na katangian............................................. ....... 28
6. Mga praktikal na aplikasyon.............................................. ..... ............................... 29
7. Konklusyon................................................. .................................................... 31
8. Aplikasyon................................................. ......... ................................................ ... 32
Bibliograpiya
2
1. Panimula
Ang simetrya ng kristal na sala-sala ng mga pana-panahong iniutos na mga kristal ay batay sa periodicity ng pag-aayos ng kanilang mga atomo - parallel na paglilipat o pagsasalin sa mga pangunahing vector na bumubuo ng kristal na sala-sala na binabago ang sala-sala sa sarili nito. Ang mga pagsasalin ng unit cell sa pangunahing lattice vectors ay nagbibigay-daan sa siksik, i.e. nang walang mga puwang at magkakapatong, punan ang buong espasyo at sa gayon ay bumuo ng isang kristal na sala-sala. Bilang karagdagan sa translational symmetry, ang crystal lattice ay maaari ding magkaroon ng rotational at reflection symmetry. Ang translational symmetry ay nagpapataw ng mga paghihigpit sa mga posibleng order ng symmetry axes ng mga crystal lattice. Ang mga pana-panahong inutos na kristal ay maaaring magkaroon ng symmetry axes ng ikalawa, ikatlo, ikaapat o ikaanim na pagkakasunud-sunod. Ang mga pag-ikot sa paligid ng symmetry axes ng ikalimang order at anumang order na mas mataas kaysa sa ikaanim ay hindi binabago ang kristal na sala-sala sa sarili nito, samakatuwid ang mga naturang symmetry axes ay ipinagbabawal para sa mga kristal.
Alam na ngayon na ang periodicity ay hindi isang kinakailangang kondisyon para sa pagkakaroon ng long-range atomic order. Ang mga quasi-crystal ay may mahigpit na aperiodic long-range order ng quasiperiodic type. Ang mga quasicrystal ay walang translational symmetry, na naglilimita sa mga posibleng order ng symmetry axes, kaya maaari silang magkaroon ng symmetry axes ng mga order na ipinagbabawal para sa mga ordinaryong kristal na pana-panahong inuutusan. Ilarawan natin ang sitwasyong ito gamit ang halimbawa ng isang "Penrose parquet", na isang modelo ng isang sala-sala ng isang two-dimensional na quasicrystal. Tandaan na ang konsepto ng isang unit cell ay hindi nagpapahintulot ng isang simpleng generalization sa quasicrystals, dahil ang pagbuo ng quasicrystalline lattices ay nangangailangan ng structural blocks ng dalawa o higit pang mga uri. Ang Penrose parquet ay binubuo ng dalawang magkaibang structural blocks - makitid at malapad na rhombus na may matinding anggulo sa vertices π/5 at 2π/5, ayon sa pagkakabanggit. Ang paglalagay ng parquet na may dalawang rhombus na ito, na nagsisimula sa limang malalawak na rhombus na may isang karaniwang vertex, ayon sa ilang mga patakaran ay humahantong sa isang quasiperiodic na takip ng eroplano na walang gaps at overlaps. Ang penrose parquet ay may isang punto, ang pag-ikot sa paligid kung saan sa isang anggulo ng 2π/5 ay binabago ang sala-sala sa sarili nito, na tumutugma sa eksaktong axis ng simetrya ng ikalimang pagkakasunud-sunod. Bilang karagdagan, ang Penrose parquet ay may rotational symmetry ng ikasampung order sa kahulugan na ang pag-ikot sa pamamagitan ng isang anggulo π/5 ay humahantong sa isang rehas na bakal, ang pagkakaiba mula sa orihinal ay hindi gaanong mahalaga sa istatistika - ang gayong mga grating ay hindi nakikilala, halimbawa, sa mga eksperimento sa diffraction. Sa pamamagitan ng pagkakatulad sa pagtatayo ng Penrose parquet, posible na bumuo ng isang quasicrystalline lattice sa three-dimensional na kaso. Ang isang halimbawa ng naturang sala-sala ay ang Amman-Mackay network, na may icosahedral symmetry at isang siksik na pagpuno ng espasyo ayon sa ilang mga panuntunan na may mga pinahabang at oblate na rhombohedron na may ilang mga anggulo sa mga vertices.
Ang aperiodic long-range atomic order na may icosahedral symmetry ay unang natuklasan nina Shechtman, Blech, Gratia at Kahn, na noong 1984 ay nag-ulat ng pagmamasid ng hindi pangkaraniwang mga pattern ng diffraction ng elektron sa mabilis
3
pinalamig na haluang metal A186Mn14. Una, ang pagkakaroon ng long-range na pagkakasunud-sunod ng isang hindi-kristal na uri ay nakikita - ang matalim na Bragg na mga taluktok sa pagkakaroon ng isang tenth-order symmetry axis, na hindi tugma sa pana-panahong pag-order. Pangalawa, ang intensity ng mga spot ng diffraction ay hindi bumaba sa distansya mula sa gitna ng pattern ng diffraction, tulad ng sa kaso ng pana-panahong iniutos na mga kristal. Pangatlo, kung isasaalang-alang ang pagkakasunud-sunod ng mga pagmuni-muni mula sa gitna ng pattern ng diffraction hanggang sa periphery nito, lumabas na ang mga distansya sa pagitan ng mga pagmuni-muni ay nauugnay sa mga kapangyarihan ng numero τ = (√ + 1)/2 - ang gintong seksyon ( tingnan ang apendise). Pang-apat, kung ang mga pagmuni-muni ng Bragg ng isang pana-panahong inutos na kristal ay na-index ng tatlong indeks ng Miller, kung gayon ang paglalarawan ng pattern ng diffraction ng A186Mn14 na haluang metal ay nangangailangan ng anim na indeks. Ang isang kumpletong pagsusuri ng mga pattern ng diffraction na nakuha kasama ang iba't ibang mga crystallographic na direksyon ay nagpakita ng pagkakaroon ng anim na fifth-order symmetry axes, sampung third-order symmetry axes, at labinlimang second-order symmetry axes. Ito ay nagpapahintulot sa amin na makarating sa konklusyon na ang istraktura ng A186Mn14 na haluang metal ay may isang point symmetry group ̅ ̅, i.e. pangkat ng icosahedron.
Ang theoretical na pagbibigay-katwiran para sa pagkakaroon ng Bragg peak sa mga pattern ng diffraction ng isang istraktura na may icosahedral symmetry ay ibinigay nina Levin at Steinhardt. Nagtayo sila ng isang modelo ng isang quasicrystal batay sa dalawang elementarya na mga cell na may hindi makatwiran na ratio ng kanilang bilang at ipinakita na ang diffraction pattern ng aperiodic packing na may icosahedral symmetry ay may Bragg reflections sa isang siksik na hanay ng mga reciprocal space node na may intensity na kaayon ng mabuti sa ang mga nakuha sa A186Mn14 alloy. Ang isang quasicrystalline na istraktura ay maaaring itayo sa pamamagitan ng aperiodic na pag-iimpake ng espasyo na walang mga voids at magkakapatong ng ilang mga yunit ng istruktura na may kaukulang motif - atomic na dekorasyon. Ang isang katumbas na paraan para sa pagbuo ng isang quasicrystalline na istraktura ay binubuo ng aperiodic na pag-iimpake ng espasyo na may mga atomic cluster ng parehong uri, na nagsasapawan alinsunod sa ilang mga panuntunan—ang quasi-cell na pamamaraan. Ang mga istrukturang quasicrystalline ay natanto sa mga haluang metal, at ang mga tunay na quasicrystal ay kadalasang kumakatawan sa hindi perpekto, i.e. may sira, ang pagpapatupad ng isang perpektong quasicrystalline na istraktura sa ground state. Ang quasicrystalline na istraktura ay malapit sa enerhiya sa iba pang mga istraktura, at, depende sa mga kondisyon ng paghahanda, heat treatment at komposisyon, ang quasicrystal ay maaaring nasa isang perpektong quasicrystalline na estado, kahit na walang likas na static distortion nito - mga phason, o sa isang microcrystalline na estado na may isang haba ng pagkakaugnay ng pagkakasunud-sunod ng 102 Å at isang pangkalahatang pseudo-icosahedral symmetry .
Ang terminong "aperiodic crystal" ay ipinakilala ni Schrödinger na may kaugnayan sa isang talakayan ng istraktura ng gene. Sa solid state physics, bago ang pagtuklas ng quasicrystals, incommensurately modulated phases at composite crystals na may modulated structure, ang mga pattern ng diffraction na naglalaman ng Bragg maxima na matatagpuan sa karaniwang crystalline symmetry, ngunit napapalibutan ng satellite reflections, ay pinag-aralan. Ito ay kilala rin tungkol sa pagkakaroon ng icosahedral short-range order sa mga haluang metal na may kumplikado
4
istraktura, sa mga metal na baso, sa mga boron compound na naglalaman ng magkakaugnay na B12 icosahedra, sa (B12H12)2- anion, sa mga kumpol ng alkali at marangal na metal at sa mga intermetallic compound, na kilala ngayon bilang pana-panahong mga approximant ng quasicrystals.
Sina Bradley at Goldschmidt, na nag-aral ng mabagal na paglamig ng mga haluang metal sa ternary system na Al-Cu-Fe gamit ang X-ray diffraction analysis, noong 1939 ay nag-ulat ng pagkakaroon ng isang ternary compound ng komposisyon na Al6Cu2Fe na may hindi kilalang istraktura, na tinawag nilang ψ phase noong 1971 Pinag-aralan ni Prevarsky ang phase equilibria sa Al system -Cu-Fe at ipinakita na ang ψ phase ay may hindi gaanong kahalagahan na rehiyon ng homogeneity at ang tanging ternary phase na umiiral sa ternary system na ito sa temperatura na 800 °C. Noong 1987, ipinakita ni Tsai at ng mga kapwa may-akda na ang isang haluang metal na may komposisyon na malapit sa bahagi ng ψ ay isang thermodynamically stable na icosahedral na quasicrystal. Noong 1955, natuklasan nina Hardy at Silcock ang isang yugto sa Al-Cu-Li system, na tinawag nilang T2 phase, ang pattern ng diffraction na hindi ma-index. Ang komposisyon ng phase na ito ay malapit sa Al6CuLi3 at tumutugma sa icosahedral Al-Cu-Li phase. Noong 1978, nakita ni Sastry at mga katrabaho ang isang pattern ng diffraction na may pseudopentagonal symmetry sa Al-Pd system. Nang maglaon, natuklasan ang isang decagonal quasicrystalline phase sa sistemang ito. Noong 1982, iniulat ni Padezhnova at mga kapwa may-akda ang pagkakaroon ng R phase sa Y-Mg-Zn system, ang pattern ng diffraction ng X-ray ng pulbos na hindi nila natukoy; Kasunod nito, ipinakita ni Luo at ng mga katrabaho na ang bahaging ito ay may istrukturang icosahedral.
Kapansin-pansin na ang mga quasicrystalline na haluang metal ay naglalaman ng mga atomo ng transisyon, marangal o bihirang mga metal sa lupa, na posibleng tumutukoy sa kristal na kimika ng short-range atomic order. Maraming quasicrystalline phase ang umiiral sa isang equilibrium phase diagram sa medyo makitid na hanay ng konsentrasyon. Ang equilibrium thermodynamic, transportasyon, magnetic at mekanikal na mga katangian ng quasicrystals, ang kanilang spectra ng single-particle at collective excitations ay naiiba sa mga crystalline at amorphous phase na katulad ng mga ito sa komposisyon. Ang mga partikular na katangian ng quasicrystals ay tinutukoy ng parehong aperiodic long-range order at ng lokal na atomic na istraktura. Bilang mga haluang metal ng mga elementong metal, ang mga quasicrystal ay hindi ordinaryong mga metal, insulator o semiconductor. Hindi tulad ng mga insulator, ang density ng mga elektronikong estado sa antas ng Fermi n() sa mga quasicrystal ay nonzero, ngunit mas mababa kaysa sa karaniwang mga metal. Ang mga tampok na katangian ng electronic spectrum ng quasicrystals ay kinabibilangan ng isang pseudogap sa density ng mga elektronikong estado sa antas ng Fermi at isang manipis na peak na istraktura n(E), na makikita sa kanilang mga pisikal na katangian.
5
2.Istruktura ng quasicrystals
2.1 Mga uri ng quasicrystals at mga pamamaraan para sa kanilang paghahanda
Bilang karagdagan sa mga icosahedral na quasicrystal, mayroong mga quasicrystal na may iba pang orientational symmetry. Ang mga axial quasicrystal ay nagpakita ng pagkakaroon ng mga rotational symmetry axes ng ikawalo, ikasampu at ikalabindalawang mga order at tinawag na octagonal, decagonal at dodecagonal phase, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga phase na ito ay may quasi-periodic na pag-aayos ng mga atomo sa mga eroplano na patayo sa mga symmetry axes ng ikawalo, ikasampu at ikalabindalawang order. Ang mga quasiperiodic na eroplano mismo sa kahabaan ng mga palakol na ito ay nakaimpake sa pana-panahong paraan.
Ang mga haluang metal ng Al-Mn at iba pang mga quasicrystalline phase na natuklasan sa lalong madaling panahon ay naging metastable - kapag pinainit, sila ay pumasa sa isang pana-panahong iniutos na estado. Maaari silang makuha sa pamamagitan ng mabilis na pagtunaw ng pagsusubo o iba pang kakaibang pamamaraan. Ang mga metastable na quasicrystal ay may mataas na antas ng disorder, na kumplikadong pag-aaral ng posibleng impluwensya ng quasiperiodicity sa mga pisikal na katangian. Ang mga resulta na nakuha sa mga sample ng metastable phase ay nagpahiwatig na sa kanilang mga pisikal na katangian ang mga quasicrystals ay malapit sa mga hindi maayos na metal. Ang pagtuklas ng icosahedral na bahagi ng Al-Cu-Li ay nagpakita na ang mga quasicrystal ay maaaring maging hindi bababa sa lokal na matatag at lumalaki sa ilalim ng halos mga kondisyon ng balanse. Kasabay nito, ang pagsusuri ng mga pattern ng diffraction nito at isang bilang ng iba pang mga quasicrystalline phase ay nagpakita ng pagkakaroon ng mga tiyak na mga depekto sa istruktura sa kanila - mga phason. Ipinapalagay na ang mga phason ay isang mahalagang katangian ng mga istrukturang quasicrystalline.
Ang mga bagong pagkakataon para sa pang-eksperimentong pag-aaral ng mga katangian ng mga solido na may isang quasicrystalline na istraktura ay lumitaw pagkatapos ng pagtuklas ng mga thermodynamically stable na phase sa mga ternary system na Al-Cu-Fe, Al-Cu-Ru at Al-Cu-Os, na nag-kristal sa isang mukha- centered icosahedral (FCI) na istraktura, kung saan walang phasic distortion. Ang pinakaunang mga eksperimento na isinagawa sa mga yugtong ito ay nagpakita na ang mga quasicrystal ay dapat na uriin bilang isang hiwalay at napaka hindi pangkaraniwang klase ng mga solido na pinagsama ang parehong mga katangian ng baso at ang mga katangian na katangian ng mga pana-panahong inutos na mga kristal. Ang isang kawili-wiling bagay ng pananaliksik ay naging isang thermodynamically stable na HZI phase sa Al-Mn-Pd ternary system, ang mga taluktok ng Bragg na kung saan ay hindi pinalawak ng mga depekto sa istruktura kahit na walang pagsusubo. Ang equilibria ng phase sa ternary system na A1-Mn-Pd ay ginagawang posible na lumago ang mga solong kristal ng icosahedral phase gamit ang mga karaniwang pamamaraan, na naging posible upang magsagawa ng mga detalyadong pag-aaral ng istraktura ng yugtong ito at mga katangian nito. Ang mataas na antas ng pagiging perpekto ng istruktura ng mga solong kristal ng icosahedral phase na Al-Mn-Pd ay nakumpirma ng pagmamasid sa epekto ng Bormann - maanomalyang paghahatid ng X-ray.
Sa ngayon, higit sa isang daang sistema batay sa aluminyo, gallium, tanso, cadmium, nickel, titanium, tantalum at iba pang mga elemento kung saan nabuo ang mga quasicrystals ay natuklasan. Tulad ng nabanggit na, ang mga thermodynamically stable na icosahedral phase ay maaaring makuha sa ilalim ng normal na mga kondisyon ng solidification. Maaari ding i-synthesize ang mga quasicrystal
6
gamit ang mga pamamaraan tulad ng condensation mula sa singaw, solidification sa mataas na presyon, devitrification ng isang amorphous substance, decomposition ng supersaturated solid solutions, interlayer diffusion, ion implantation, mechanical activation process at iba pa. Maraming mga pamamaraan na ginagamit upang makakuha ng crystalline at non-crystalline phase ay ginagamit din upang synthesize quasicrystals.
Ang pagbuo ng mga quasicrystal mula sa isang matunaw ay sa panimula ay naiiba sa pagbuo ng mga metal na baso. Ang mga metal na baso ay pinakamadaling nabuo malapit sa eutectic na komposisyon. Ang mga ito ay mga komposisyon kung saan walang isang mala-kristal na yugto ang matatag, upang sa ekwilibriyo ang haluang metal ay dapat mabulok sa dalawa o higit pang mala-kristal na mga yugto ng magkakaibang komposisyon. Dahil sa ang katunayan na ang chemical exfoliation ay isang prosesong kontrolado ng pagsasabog, ang prosesong ito ay metastable, at ang mabilis na paglamig ng pagkatunaw ay nagtataguyod ng pagbuo ng metal na salamin. Ang mga quasicrystal, sa kabaligtaran, ay hindi bumubuo malapit sa mga komposisyon na malapit sa eutectic sa phase diagram. Ang isang natatanging tampok ng mga diagram ng equilibrium phase ng mga system kung saan nabuo ang mga quasicrystalline phase ay ang pagkakaroon ng peritectics. Ang mga tampok na ito ng mga phase diagram ay tipikal ng mga system kung saan mayroong malakas na pakikipag-ugnayan sa pagitan ng iba't ibang mga atomic constituents at isang ugali na bumuo ng mga compound. Ang mga quasicrystal ay nabuo sa mga sistemang ito sa pamamagitan ng pagbuo ng mga sentro ng nucleation at kasunod na paglaki.
Ang isa pang pag-aari na nagpapahiwatig ng pangmatagalang pagkakasunud-sunod sa pag-aayos ng mga atomo sa mga quasicrystal ay ang pagkakaroon ng faceting ng mga naobserbahang phase. Ang morpolohiya ng quasicrystalline phase ay nakasalalay sa mga kondisyon ng paglago, na nagpapakita ng isang bilang ng mga kagiliw-giliw na tampok. Kapag ang isang quasicrystalline phase ay nabuo bilang isang resulta ng synthesis, tanging ang point symmetry group nito ay madalas na makikita sa morphologically. Halimbawa, ang hugis ng mga dendrite ng metastable na icosahedral na Al-Mn phase ay isang pentagonal dodecahedron. Ang mga dendrite ng thermodynamically stable na icosahedral phase sa Al-Cu-Li system ay faceted sa anyo ng isang rhombic triacontahedron. Sa sistemang Al-Pd-Mn, ang mga icosahedral na quasicrystal ay naka-faceted sa anyo ng isang icosidodecahedron. Ang isang pag-aaral ng pagbuo ng faceting ng icosahedral phase sa Al-Cu-Fe system ay nagpakita na ang mga mukha ay nabuo kasama ang mga siksik na atomic na eroplano alinsunod sa kinakailangan ng pinakamababang mga stress sa ibabaw.
Bagaman ang mga purong metal ay karaniwang nag-crystallize upang bumuo ng mga simpleng istruktura, ang pagsasanib ay maaaring humantong sa pagbuo ng mga intermetallic compound na may medyo kumplikadong mga istraktura. Halimbawa, ang dalawang kumplikadong crystalline phase na α-Mn12(Al,Si)57 at Mg32(Al,Zn)49 ay nagpapakita ng lokal na isomorphism na may istruktura ng kaukulang quasicrystals. Ang bawat isa sa mga nabanggit na compound ay kumakatawan sa isang body-centered cubic (bcc) packing ng mga cluster na binubuo ng concentric atomic shell na may icosahedral symmetry at naglalaman ng 54 atoms sa unang kaso (McKay icosahedral cluster) at 44 atoms sa pangalawang (Bergmann triacontahedral cluster). Ang ganitong mga compound ay tinatawag na periodic approximant ng quasicrystals.
7
Mayroon ding pangatlong uri ng cluster (Tsai cluster), na naglalaman ng 66 atoms - ang bcc packing ng naturang mga cluster ay tipikal para sa mga crystalline na haluang metal tulad ng Cd6Yb, Zn17Sc3, na mga pana-panahong approximant ng kaukulang binary quasicrystals. Ang mga pag-aaral ng istraktura gamit ang high-resolution transmission electron microscopy ay nagpakita na ang cluster structure ay katangian din ng quasicrystals, gayunpaman, ang mga cluster ay naka-pack na aperiodically sa espasyo at interpenetrating, kaya ang quasicrystals ay hindi isang simpleng cluster aggregate, ngunit isang istraktura na may aperiodic long-range order at isang lokal na cluster structure .
Ang malapit na relasyon sa pagitan ng istraktura ng approximant at quasicrystals ay ipinahiwatig ng pagkakapareho ng kanilang mga pattern ng diffraction. Ang pinaka matinding diffraction peak ng crystalline approximant ay matatagpuan malapit sa magkatulad na peak ng mga kaugnay na quasicrystals. Ang isa pang indikasyon ng lokal na isomorphism ng quasicrystals at ang kaukulang approximant ay ang magkakaugnay na orientational na relasyon ng kanilang mga butil. Ang mga quasicrystal ay kadalasang nabubuo malapit sa komposisyon ng approximant, kaya isang paraan upang maghanap ng mga bagong quasicrystalline compound ay ang pag-aaral ng mga compositional na rehiyon na malapit sa komposisyon ng kanilang crystalline approximant.
8
kanin. 2.1 Dalawang bahagi na modelo
dalawang-dimensional na kristal - Penrose parquet,
binubuo ng makitid at malapad na rhombus.
2.2 Mga pamamaraan para sa paglalarawan ng istraktura
Ang mga aperiodic na istruktura na humahantong sa matalim na pagmuni-muni ng Bragg, halimbawa, Penrose parquet, ay isinasaalang-alang bago pa ang 1984. Ang mga istrukturang ito ay karaniwang may pangmatagalang pagkakasunud-sunod ng uri ng oryentasyon. Upang ilarawan ang mga katangian ng diffraction ng mga quasicrystalline na bagay, ang mga istrukturang tinatawag na quasiperiodic coatings, o mga tessellation ng eroplano at espasyo, ay isinasaalang-alang.
Ang sumasaklaw sa isang linya ay ang pagkahati nito sa mga segment mula sa isang ibinigay na hanay. Kabilang sa mga coatings na nakuha sa ganitong paraan, ang isang klase ng quasiperiodic coverings ay nakikilala, na walang long-range order ng translational type. Ginagamit ang mga ito para sa mga istrukturang modelo ng quasicrystals.
Kabilang sa mga iminungkahing modelo ng balangkas ng istraktura ng mga bagay na quasicrystalline, ang pinakalaganap, tila, ay dapat isaalang-alang na isang dalawang-fragment na modelo batay sa quasiperiodic na takip ng isang tuwid na linya, eroplano o espasyo ng dalawang elementarya na istrukturang yunit. Para sa isang one-dimensional na quasicrystal, ang modelong ito ay humahantong sa isang Fibonacci sequence ng maikling S at mahabang L segment na may S=1 at L=τ. Sa two-dimensional na kaso, ang two-fragment na modelo ay isang Penrose parquet, na binubuo ng dalawang uri ng rhombus na may matinding anggulo sa vertices π/5 at 2π/5 (Figure 2.1), at sa three-dimensional na kaso, isang generalization ng Penrose parquet na nabuo ng mga rhombohedron ng dalawang uri, na tinatawag na Amman-Mackay network. Ang karaniwan sa mga pagpapatupad sa itaas ng modelong may dalawang fragment ay ang kawalan ng isang pangmatagalang pagkakasunud-sunod ng uri ng pagsasalin habang pinapanatili ang isang pangmatagalang pagkakasunud-sunod ng uri ng oryentasyon, na humahantong sa isang pag-aari na kilala sa kaso ng isang Penrose parquet bilang Conway's theorem: anumang may hangganang pagsasaayos ng isang parquet ay nangyayari sa loob nito na parang pana-panahon ng walang katapusang bilang ng beses.
9
Fig.2.2 Konstruksyon ng isang one-dimensional na quasicrystal
(Fibonacci chain) sa pamamagitan ng projection method; sulok
pagtabingi ng axis