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淺談準晶體之發現與應用發展(下)

數學模式

非週期性馬賽克圖案,就像在中世紀西班牙的阿爾罕布拉宮(Alhambra),以及伊朗的達布我伊瑪目神社的伊斯蘭馬賽克,有助於科學家了解在原子規模上的準晶體。在準晶體中,那些馬賽克圖案經常可見─完全按照數學規則─但從來沒有重複性 3

 

科學家描述夏契曼的準晶體時,所使用的概念,是來自於數學和藝術的「黃金比例」。由於黃金比例的數字常常出現在幾何當中,引起古希臘數學家的興趣。在準晶體原子間不同距離的比例,也與黃金比例的平均值相關 3

使用數學建構並分析準晶體結構,是研究人員最艱鉅的任務。在現有的準晶體理論基礎上,利用電腦模型可大大加快這項工作。先進的程式已可定出準晶體構造,以「看得見」的方式分析準晶體結構及其繞射圖案 3

金屬合金準晶體

從夏契曼發現準晶體以來,已有數百例準晶體被報導和證實。毫無疑問,準晶體不再是一個特例,而是普遍存在於許多金屬合金和聚合物中。最常發現準晶體的是鋁 合金(鋁鋰銅、鋁錳矽、鋁鎳鈷、鋁鈀錳、鋁銅鐵和鋁銅釩等),但在許多其他成分中也有所發現(鎘鐿、鈦鋯鎳、鋅鎂鈥、鋅鎂鈧、銦銀鐿和鈀鈾矽等) 1。 已知的準晶體都是金屬合金化物。2000年以前發現的幾百種準晶體中,至少含有3種金屬,如Al65Cu23Fe12、Al70Pd21Mn9等。但最近 發現,僅兩種金屬也可形成準晶體,如Cd57Yb10。結構的問題也值得重視:組成為Al70Pd21Mn9的是準晶體結構,而Al60Pd25Mn15 卻是晶體結構5

從理論上而言,有兩種類型的準晶體。第一種類型為多邊形(二面角)準晶體,具有八、十或十二重軸的局部對稱性(分別為八面體、十面體或十二面體),沿此軸呈現週期性,而在它的垂直平面呈現準週期性。第二種類型為二十面體準晶體,在各個方向均非週期性 1

關於準晶體熱穩定性,可區分為三類:
• 穩定準晶體經緩慢冷卻生成,或是後續退火 (annealing) 鑄造
• 亞穩定準晶體由熔解自旋 (melting spinning) 製成
• 亞穩定準晶體由非晶相結晶形成1

然而,有一個共同的特點,觀察準晶體形成的液態合金或過冷液體中,皆具有局部的二十面體秩序。二十面體之穩定準晶體平衡於液體狀態,而二十面體次序的亞穩準晶體在深過冷液體狀態普遍存在1

發展與應用

夏契曼發現準晶體之後,科學家們陸續在實驗室中發現各類的準晶體,並在俄羅斯東部Khatyrka河自然發生的礦物樣品中找到準晶體1。如果把這種「準晶相」的組成和傳統材質結合,即可改變物質原本的特性。科學界已投入將這種「準晶相」物質添加在傳統材料上的研究,產生熱電材料,做成絕熱柴油引擎 5。一家瑞典公司還發現某種形式的鋼,其晶體強度像裝甲材料般的準晶體,能製作出更堅固的手術用針 3。科學家目前正嘗試創造不同的產品,如煎鍋和柴油發動機用的準晶體3。實際上,準晶體已開發應用,例如:人們發現鋁-銅-鐵-鉻所組成的準晶體,具有低摩擦係數、高硬度、低表面能及低傳熱性,目前正開發作為炒菜鍋的鍍層;Al65Cu23Fe12十分耐磨,開發為高溫電弧噴嘴的鍍層5。 準晶體的研究成果也應用於生物學,Bernal 和 Fankuchen (1937) 針對純化的TMV(煙草花葉病毒)製劑,應用X射線分析法,獲得病毒(粒體)寬度的準確估計值,並且表示用鹽使病毒沉澱,產生有規則的二維排列針狀體,應為準晶體(paracrystal)而非真晶體5

歡迎閱讀淺談準晶體之發現與應用發展(上)

 

參考資料:
1. Wiki 百科準晶體介紹
2. Nobel Prize 官方網站
3. 2011諾貝爾化學獎得主Daniel Shechtman與新的物質型態「準晶體」
4. 雷斯提克LSTIC College 準晶體(Quasicrystals)

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