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2011诺贝尔化学奖得主:Dan Shechtman

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来源:wiki 2012-02-02 16:20

丹·舍特曼(Dan Shechtman,或译达尼埃尔·谢赫特曼,1941年-),是出生于特拉维夫的以色列材料科学家,在以色列理工学院取得机械工程学士后,又接连取得材料科学硕士与博士学位。任以色列理工学院菲利普托比亚斯材料科学教授、美国能源部埃姆斯实验室(Ames Laboratory)助理、艾奥瓦州立大学材料科学教授。

丹·舍特曼(Dan Shechtman,或译达尼埃尔·谢赫特曼,1941年-),是出生于特拉维夫的以色列材料科学家,在以色列理工学院取得机械工程学士后,又接连取得材料科学硕士与博士学位。任以色列理工学院菲利普托比亚斯材料科学教授、美国能源部埃姆斯实验室(Ames Laboratory)助理、艾奥瓦州立大学材料科学教授。1982年4月8日,舍特曼在快速冷却的铝锰合金中发现一种新形态的二十面体相(Icosahedral Phase)分子结构,开辟了研究准晶体的全新领域。2011年获诺贝尔化学奖,以表彰他“对准晶体的发现”。

什么是准晶体?

准晶体,亦称为“准晶”或“拟晶”,是一种介于晶体和非晶体之间的固体结构。在准晶的原子排列中,其结构是长程有序的,这一点和晶体相似;但是准晶不具备平移对称性,这一点又和晶体不同。普通晶体具有的是二次、三次、四次或六次旋转对称性,但是准晶的布拉格衍射图具有其他的对称性,例如五次对称性或者更高的六次以上对称性。

钬-镁-锌十二面体准晶(图片来自wiki百)

关于这种长程有序的结构,数学家在1960年代就推测出了这种对称模型。但是直到快20年后这种理论上的结构才和准晶的研究联系起来。

获得2011年诺贝尔化学奖的丹尼尔·舍特曼是第一个正式报道发现了准晶的人。1984年他和以色列理工学院的同事们在快速冷却的铝锰合金中发现了一种新的金属相,其电子衍射斑具有明显的五次对称性。这篇文章发表于物理评论通讯(Physical Review Letters )上。

Shechtman文章中的五重对称性电子衍射斑

历史

虽然物理学家们都为准晶的发现而惊奇不已,但是其实数学上早就给出了这一结构的详细描述。伊朗的伊斯法罕有一座古老的清真寺,上面的砖片图案就是按照准晶样式排列的,这说明500年前的建筑师就已经意识到这一结构了。

清真寺上的砖片图案(图片来自于wiki百科)

1961年,数学家王浩提出了用不同形状的拼图铺满平面的拼图问题。数学家们已经知道,可以用单一形状的拼图拼满一个平面,例如任意形状的四边形或者正六边形,但是当增加拼图单元的种类时,就能够构造出更多的拼满一个平面的方法。两年后,王浩的学生Robert Berger构造了一系列不具有周期性的拼图方法。之后铺满平面所需要的拼图种类越来越少,1976年Roger Penrose构造了一系列只需要两种拼图的方法,这种方法拼出来的图案具有五次对称性。

Penrose拼图。可以看到平面中仅由宽窄两种菱形构成,中间的球也由这两种菱形构成。(图片来自wiki百科)

之后丹尼尔·舍特曼发现了三维世界中的20面体准晶。这一准晶的拼图形式由两种不同的菱形组成。这篇文章发表于1984年,标题为“一种长程有序但是不具有平移对称性的金属相”(Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry)。他们发现的这一五次对称性结构产生于融化后快速冷却的Al-Mn合金中。

第二年Ishimasa等人报道了Ni-Cr颗粒中的十二次对称性。之后在V-Ni-Si和Cr-Ni-Si合金中又发现了八次对称衍射图。多年以来已经发现了几百种具有多种组成和对称性的准晶体。最早发现的这种准晶体结构在热力学上是不稳定的,一旦加热就会重新变成规则晶体。但是1987年的时候发现了许多种稳定的准晶体,这样就可以合成更大的晶体用于进一步的结构及应用研究。

2009年,矿物学上的一个发现为准晶是否能在自然条件下形成提供了证据:俄罗斯的一块铝锌铜矿上发现了Al63Cu24Fe13组成的准晶颗粒。和实验室中合成的一样,这些颗粒的结晶程度都非常好。(生物谷 Bioon.com)

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