今年诺贝尔化学奖揭晓，以色列科学家丹尼-舍特曼(Daniel Shechtman)凭其发现的准晶体获得了此项荣誉。准晶体的发现，是20世纪80年代晶体学研究中的一次突破。在此之前，科学界对固态物质的分类仅限于晶体与非晶体，其界分是根据构成固态物质的原子排列状况：晶体内原子呈现周期性对称有序排列；原子呈无序排列则是非晶体。

    自然界大多数固体物质都是以晶体状呈现，如：金属晶体、共价晶体、极性晶体等。其原子都是按一定的规律整齐有序地重复排列——形成整齐有序的晶格点阵，于是这种整齐有序、周期排列就成了晶体的主要特性，成了早期人们认识晶体的惟一特征。

    而随着丹尼-舍特曼的偶然发现，固体物质中一种“反常”的原子排列方式跳入科学家的眼界。1984年底，丹尼-舍特曼等人宣布，他们在急冷凝固的铝、锰（Al Mn）合金中发现了具有五重旋转对称，但并无无平移周期性的合金相。在晶体学及相关的学术界引起了很大的震动。

    准晶体概念提出之时，学界权威认为其颠覆了由来已久的固态物质的分类方式，被认为是无稽之谈，受到严厉的质疑，舍特曼因为坚持捍卫自己的发现，一度受到“劝告”希望他脱离研究小组。

   然而科学要尊重的是事实而不是权威，在舍特曼的基础上，化学家成功在实验室中制作成多种准晶体结构，并在矿石标本中发现了天然的准晶体，人们认识晶体的思维定势被打破，从此，这种徘徊在晶体与非晶体之间，无平移同期性但有位置序的晶体“另类”闯入了固体家族，并被命名为准晶体。

    准晶体内原子均匀排列，但没有重复周期性对称组合，原子排列方式介于晶体和非晶体之间。这样的准晶体是怎么形成的？这是当今科学界无人解答的问题。在此，我将作答，要解读准晶体，有必要讨论晶体、合金、急冷凝固等系列问题。

    晶体  固态晶体，体内有较强的内力，这内力来源原子核（质子）对电子的引力，这个引力没有边界，原子有几个价电子，就吸引相邻几个原子的外层电子构成几个结构元，这几个结构元在环绕着自身核心同时，也必须环绕相邻的一个核心，因此围绕核心的结构元只有按一定的空间位置均匀分布，才能使得价和电子运行线路最短，无数个核心都如此均匀规则周期排列，就形成这整齐有序的晶体。

    同一族元素的晶格结构完全一样或基本相同，如Ⅳ族元素碳、硅、锗，其原子外层有4个价电子，在质子引力作用下，构成了4个结构元。该元素所有的原子都按这样一个连着4个，规律重复，形成了Ⅳ族晶体的点阵结构──金刚石型结构。

    金属物质主要是靠电磁力维系其结构。例如铜，铜元素只有一个价电子，每个铜原子只能与相邻的一个原子结合成一个结构元。当价和电子高速运转，在旋转平面的垂直方向伴生着较强的电磁力，电磁力与相邻结构元的电磁力南北极相互吸引，使得结构元相互调整到彼此平行的适当位置，无数个结构元这样相互吸引整齐排列，就构成了铜的面心晶体结构。

    舍特曼是在急冷凝固的铝、锰合金中发现了准晶体，那么我们就要谈一谈合金。

    合金　我们在化学课中学习了定组成定理，两种或多种元素组合成化合物必定形成固定的比例，严格遵守化学分子式所规定的份额，如硫酸锌（ZnSO_４），必定是1个锌与1个硫、4个氧原子的严格组合，每种元素的原子含量是定量组成，既不会多也不能少，我们能根据分子式精确地计算其中各种元素所占的比例。

    然而，金属与金属之间却可以按任意比例互熔，形成合金。如铜、锌融合成黄铜，锌在黄铜中的比例可多可少，其他合金也都是如此，为什么合金就不必遵守定组成定理？

    因为金属物质是靠的是电磁力而结合，各种金属各自形成结构元，互熔后，只要有稳定的电磁力，不同元素的结构元就能结合，所以金、银、铜、锌等多种金属都能互熔，形成多种元素、各种比例的合金。

    人们钟爱合金，是因为合金材料的强度、硬度等机械性能比纯金属有显著的提高。合金比单一金属具备更多种优良性能，这是因为：

    一、在合金中不同元素的原子间距很近，从溶液到结晶全过程中，各原子都加强对自己电子的控制，以免被其他元素的原子吸引去，于是库仑力增加，电子速率加快。

    二、合金中掺入的一般是价电子速率较高的原子，在与基本元素结合成结构元的过程中，较强的电磁力激活了基本元素的价电子，使其价和电子速率增加。

    三、若掺入元素的价电子数多，将使合金中结构元增多，如：铁中渗碳。

    以上三条导致了合金的熔点升高，强度、硬度增加，导电率下降。

    铝、锰合金   舍特曼是在铝、锰（Al Mn）合金中发现了准晶体，形成铝、锰合金，首先把两种金属按比例加入，加温互熔成液体。在液态合金中，铝、锰仍以各自结构元的形式存在，均匀分布，成链、成环，时合、时分，

    温度逐渐降低，液态合金缓慢凝固，形成灼热的铝、锰合金固态晶体。微观过程是：温度降低，价和电子速率下降，运转线路由空间扭曲进入到稳定平面，价磁力方向相互对正、稳定，铝、锰结构元之间的位置相对固定，物质内构筑了稳固的内力，宏观的表现就是凝结成铝、锰合金晶体。其晶体内原子呈现周期性对称有序排列，是标准、正常的晶体。

    金、银合金，铜、锌合金等一价元素，永远只能形成标准的晶体，要形成准晶体，与合金元素的价电子数密切相关。

    铝原子的外层有3 个价电子，三个价电子在球体的原子表面是不可能均布稳定的，于是有两个价电子排在次外层，一个价电子在最外层。这个最外层的电子参与价和运转，所以铝具有与铜、银一样的晶体结构，和类似的物理性质（很好的传热导电性能）。

    锰原子的序数是25，内层电子稳定运转，次外层的5电子在球面不可能均布，只能按2、2、1排列。最的外层有2 个价电子，与铁一样，能构成两个相连的结构元。

    除了铝、锰合金，其他的准晶体也有相似的价电子数。

    在高温的液态合金中，铝、锰仍以各自结构元的形式存在，均匀分布，成链、成环，时合、时分。因为是合金，不同元素的原子间距很近，各原子都加强对自己电子的控制，以免被其他元素的原子吸引去，一是价和电子速率高，还有是因为立交运转，原子的次外层电子——铝排在次外层的两个价电子、锰的次外层电子也能加入到价和运转之中。

    如果是缓慢降温，凝固时物质立交的价和电子逐步降低速率归顺到稳定平面，稳定的价磁力使电子的运转稳定并相互同步、相互适应，加入到价和运转之中的次外层电子逐步回归，合金凝固成正常的铝、锰晶体。

    急冷凝固    要形成舍特曼的准晶体，还有一个关键词“急冷凝固”。

    形成舍特曼准晶体，必须是“急冷凝固”，这是因为：在高温的合金中，不同元素的结构元距离很近，各原子都加强了对自己电子的控制，以免被其他元素的原子吸引去，于是价和电子速率高；还有是因为价和电子是立交运转，铝、锰原子的次外层电子也能加入到价和运转之中，形成双价和运转结构元，即由4个价和电子组成两条价和线路，围成的一个结构元。

    突然急冷凝固，高速率的价和电子立即由立交运转迅速回归平面；铝、锰元素中的双价和运转结构元的两条价和线路都只能存留一条，另一价和线路没了，多出的两个电子在高温状态中不能被核心及时回收，而容易就近在两种原子间形成价和运转，结合成铝——锰结构元。许多的铝——锰结构元占据合金，于是，晶体凝结的秩序完全被打乱，整齐有序的周期性结构无从建立，铝-锰、铝-铝、锰-锰结构元杂乱构建，准晶体结构就如此建立了。

    这样建立的铝、锰准晶体材料内结构元多（多出了铝、锰结构元），因而硬度高、强度大，有着共价晶体、陶瓷材料的特征，黏着力小、导热性较差。

    由于是铝、锰在液态时合金充分互熔，铝、锰结构元在结晶时完全均匀分布，于是形成五重旋转对称。形成结晶时铝、锰结构元保持原来位置，保留了长程有序性。

    急冷凝固是改变材料特性的常用手段，钢的硬度、强度也是在急冷凝固中形成的。

    丹尼-舍特曼所发现的铝、锰准晶体的实用意义不是主要的，重要的是让人们对自然物质构成的认识有了巨大的提升。

                                        2011/10/27