研究|北科大《Nature》子刊：时隔22年，发现一种新的准晶准单胞！_结构|Nature|一种新的|ck|拼图

传统的晶体材料在晶体结构上可以用一个可重复的单胞来描述。这些单胞分属于7大晶系14种布拉菲点阵，大大简化了人们对晶体的结构的确定和理解。然而，准晶体是一种不具有周期平移对称性的非周期晶体。它不具有传统晶体类似的周期平移单胞，这给准晶的晶体结构的理解和解析等带来了很大的困难。在准晶研究初期，广泛采用由胖瘦菱形组成的Penrose拼图来描述准晶的结构。虽然Penrose拼图能形成类似于准晶的长程准周期平移序和五次对称，然而Penrose拼图需要至少两种结构单元，终究还是给准晶结构的描述和解析带来了不便，也不能解释准晶生长等一些关键科学问题。因而“准晶体能否有一个像传统晶体一样的单胞?”就成为准晶研究领域关注的重要科学问题之一。
1998年，普林斯顿大学的Paul J. Steinhardt教授（准晶的命名者）等在Nature上发表文章，报道了第一个在实验上观察到的准晶准单胞（图1）。该准单胞是一种由德国数学家P. Gummelt提出的双色十边形，采用非常严格的重叠规律来铺满整个平面。因用准单胞来描述准晶即可简化对准晶体结构的理解，也可以解释准晶体的生长，因而被认为是一种比Penrose拼图更“物理”的方式，为准晶研究领域所广泛认同。然而由于Gummelt准单胞必须遵循严格的覆盖规则，这跟绝大多数准晶实际上的结构不符。因而实验上的Gummelt准单胞也鲜有更多的报道。

文章图片

图1普林斯顿大学的PaulJ. Steinhardt等在实验上发现的Gummelt类型的十边形准单胞及长程准周期拼图。【Steinhardt, P. J. et al. Experimentalverification of the quasi-unit-cell model of quasicrystal structure. Nature396,55-57 (1998).】
时隔22年，北京科技大学何战兵教授团队发现了一种新的准晶准单胞。研究者们通过原子级分辨的高角环形暗场透射电子显微学研究，在Al-Cr-Fe合金系中发现了这种新的准单胞（图3 ，图4）。它是由三个扁六边形和一个领结组成的十边形，这跟德国马普所的科学家Reinhard Lück提出的十边形相似，因而称之为Lück准单胞，用D3H+1B表示。跟Gummelt准单胞不同，这种新的Lück准晶准单胞采用覆盖和相切相结合的灵活方式满整个二维平面，不用遵循严格的覆盖规律，因而更符合十次准晶中十边形结构块的实际连接情况。
【研究|北科大《Nature》子刊：时隔22年，发现一种新的准晶准单胞！】这一新的准单胞的发现，不仅大大简化了人们对十次准晶结构的描述，也有助于更好地理解准晶体的长程准周期的生长过程。进而为解析准晶的结构提供了便利，也为准晶单晶的生长提供了理论支持。
该研究成果由北京科技大学新金属材料国家重点实验室何战兵教授与大连交通大学董闯教授、苏黎世联邦理工学院Walter Steurer教授等合作完成，近日在线发表在Nature Communicaitions上。何战兵教授是论文的通讯作者，他的博士生马海坤为该论文的第一作者。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-20077-4
该研究获得国家自然科学基金面上项目（51871015；51471024）的资助。论文通讯作者何战兵教授师从我国准晶研究先驱郭可信先生，长期致力于准晶体相关的基础科学问题的深入系统研究。近年来，该团队在准晶研究领域取得了一系列创新性成果。例如：

发现了发现一种由周期排列的结构块之间镶嵌非周期结构块而形成新的固体物质形态。它同时具有传统晶体材料的周期平移对称性和准晶体的准周期性，将晶体和准晶体结构上的矛盾巧妙的融合在这一新的固体物态之中。
发现了迄今为止最大尺寸的原位十次对称结构块，从而为“十次对称的自相似性是如何在实际的晶体结构中实现的”这一问题提供了实验上的证据。
在Al-Cr-Fe-Si合金系中发现了十多种新的复杂大单胞十次准晶近似相，并发现有些大单胞准晶近似相具有完全相同的晶格常数，但晶体结构却完全不同这一新奇的现象。
提出一种新的高熵准晶的设计理念（点此），并据此成功制备出近等原子比高熵十次准晶。填补了高熵合金相结构家族中无十次准晶相的空白。

文章图片

图2 Al74Cr15Fe11十次准晶的选区电子衍射图。（a）沿十次轴方向的选区电子衍射图，可以由强衍射点（例如蓝色圆圈内的点）清楚的看出衍射图呈现明显的十次对称，图中不同尺寸的白色五边形按t= 1.618比例缩放。（b ， c）沿垂直于（a）的两条二次轴方向（P和D）的选区电子衍射图。

文章图片

图3何战兵研究组在实验上发现的Lück类型的十边形准单胞及长程准周期拼图。该准单胞是由三个扁六边形和一个领结组成的直径为2 nm的十边形（D3H+1B）。可以通过相切和覆盖两种方式连接邻近的十边形来实现用单一结构块铺满整个二维平面。相比Gummelt类型准单胞， Lück准单胞具有更加灵活的方式，不仅可以描述完美准晶，也可以描述具有缺陷的准晶结构。（a）沿Al74Cr15Fe11十次准晶十次轴方向的HAADF-STEM像。（b）用Lück十边形准单胞来描述十次准晶的结构。（c）通过相位子跳跃消除（b）中缺陷而形成的用单一结构块铺满整个二维平面的准晶拼图。（d）连接相邻Lück十边形的中心而形成的多边形拼图。这些多边形的类型及排列揭示出该类准晶属于非完美十次对称准晶。

文章图片

图4 Gummelt十边形准单胞与Lück十边形准单胞对比图。（a）Gummelt十边形准单胞及具有严格匹配规则的A型和B型覆盖。（b）新的Lück准单胞（D3H+1BT）及连接。左列：准单胞的实验图像，原子结构模型及示意图。中间，中间和右列：相邻Lück十边形通过重叠六边形结构块或共享一条边的连接图。