準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)沖擊了凝聚態(tài)物質(zhì)關(guān)于晶體平移周期性的概念。準(zhǔn)晶一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，就因其特殊的結(jié)構(gòu)和性能激發(fā)起材料和凝聚態(tài)物理等多個(gè)領(lǐng)域的研究熱潮。郭可信先生在金屬研究所領(lǐng)導(dǎo)的研究隊(duì)伍在準(zhǔn)晶研究上取得了一批有影響力的科學(xué)成果。以色列科學(xué)家Shechtman因發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶被授予2011年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。但準(zhǔn)晶的形核與長(zhǎng)大理論仍停留在模型階段，缺乏實(shí)驗(yàn)的支持，因此準(zhǔn)晶起源的原子尺度機(jī)理仍是極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題。
位錯(cuò)不僅直接影響材料的物理、化學(xué)和力學(xué)等一系列性能，而且可以促進(jìn)強(qiáng)化相的異質(zhì)形核析出，從而影響材料顯微結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律，因此是材料科學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。位錯(cuò)破壞了晶體中局域原子堆垛的對(duì)稱(chēng)性，在位錯(cuò)芯引入五元環(huán)、七元環(huán)等基體晶格中不存在的原子構(gòu)型。二十面體原子團(tuán)簇具有五次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)，是一種低能量的原子組態(tài)。人們推測(cè)凝固過(guò)程中準(zhǔn)晶很可能是由過(guò)冷液態(tài)金屬中的二十面體團(tuán)簇發(fā)展而來(lái)的。金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室固體原子像研究部的楊志卿博士與葉恒強(qiáng)研究員基于位錯(cuò)芯局域原子排列和準(zhǔn)晶團(tuán)簇兩者間結(jié)構(gòu)之間相似的五次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，提出了晶體中的位錯(cuò)可能作為二十面體團(tuán)簇的形核點(diǎn)，進(jìn)而誘發(fā)準(zhǔn)晶固態(tài)析出的研究構(gòu)想。
楊志卿等人利用掃描透射電子顯微術(shù)系統(tǒng)地研究了Mg-Zn二元合金中Zn原子在位錯(cuò)芯處的偏聚和局域結(jié)構(gòu)演化，發(fā)現(xiàn)沿位錯(cuò)形成的析出相不是MgZn2、Mg4Zn7等拓?fù)涿芏丫w相，而顯示準(zhǔn)周期性的類(lèi)Penrose隨機(jī)拼接結(jié)構(gòu)。該新型二元準(zhǔn)周期析出相的結(jié)構(gòu)單元為由13個(gè)原子構(gòu)成的二十面體，遠(yuǎn)小于其他準(zhǔn)晶中的Bergman團(tuán)簇（136個(gè)原子）和Yb-Cd團(tuán)簇（158個(gè)原子）；而且需要特別指出的是，已知的所有Mg-Zn二元晶體相都非準(zhǔn)晶的近似晶體相。偏聚到位錯(cuò)芯處的部分Zn原子首先進(jìn)入相鄰五元環(huán)之間的間隙位，形成沿[0001]方向的間隙原子柱；隨后，五元環(huán)上的原子發(fā)生結(jié)構(gòu)弛豫和重組，產(chǎn)生以[0001]間隙原子柱為中心的二十面體串。新型準(zhǔn)晶內(nèi)的部分二十面體串上沿軸向堆垛的相鄰五元環(huán)分別由5個(gè)Zn原子或5個(gè)Mg原子組成，顯示理想的五次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性。相鄰二十面體串通過(guò)共邊或共面的方式組成72 四棱柱和扁六棱柱，它們繞5個(gè)方向隨機(jī)地平行拼接起來(lái)，形成具有類(lèi)Penrose拼接結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)周期析出相。隨機(jī)拼接結(jié)構(gòu)能最大化體系的熵密度，使得新型二元Mg-Zn準(zhǔn)周期析出相具有良好的結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性，在340 仍不發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。本研究不僅發(fā)現(xiàn)了一種新型由超小結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的二元準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)，而且闡明了晶體缺陷造成的局域?qū)ΨQ(chēng)性破缺和準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)析出之間聯(lián)系的微觀機(jī)理，從而拓展了晶體缺陷與準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)形成的研究?jī)?nèi)容。所觀察到的新型結(jié)構(gòu)顯示局域五次對(duì)稱(chēng)性，雖然仍非理想Penrose準(zhǔn)晶，但目前的研究結(jié)果可為揭示三維理想準(zhǔn)晶的形成機(jī)理提供有益的參考。針對(duì)由二維類(lèi)Penrose拼接結(jié)構(gòu)準(zhǔn)晶向三維理想準(zhǔn)晶轉(zhuǎn)變的研究正在進(jìn)行中。
該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目、重大項(xiàng)目，及科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目的資助，其中關(guān)于準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)形核階段的部分低壓電鏡研究工作在美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室完成。文章于2月23日在Nature Communications上在線(xiàn)發(fā)表（Nature Communications，9：809，DOI：10.1038/s41467-018-03250-8，2018）。
圖1、冷軋后，300 熱處理約5分鐘的樣品中位錯(cuò)芯處的原子構(gòu)型。（a-c）沿著Mg基體[0001]晶帶軸觀察到Zn原子在柱面位錯(cuò)處的偏聚，部分原子進(jìn)入八面體間隙（圓圈所示位置）形成不完整的二十面體結(jié)構(gòu)；（d，e）位錯(cuò)周?chē)膽?yīng)變場(chǎng)。
圖2、冷軋后，300 熱處理或攪拌摩擦處理樣品內(nèi)位錯(cuò)上形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)析出相。
圖3、具有類(lèi)Penrose拼接結(jié)構(gòu)的較大尺寸析出相。（a）沿Mg基體[0001]帶軸觀察的冷軋后300 熱處理約10分鐘樣品內(nèi)位錯(cuò)上的析出相；（b）C14 Laves相中二十面體單元的原子構(gòu)型；（c）析出相內(nèi)顯示繞二十面體串軸向嚴(yán)格五次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的二十面體團(tuán)簇的原子構(gòu)型；（d）沿Mg基體[0001]帶軸觀察的攪拌摩擦處理后經(jīng)340 熱處理60分鐘的樣品內(nèi)的析出相，右上角插圖中箭頭指向分布在圓周上的10個(gè)衍射斑點(diǎn)；（e）沿著Mg基體
帶軸觀察得到的析出相的原子分辨圖像，顯示大量Zn間隙原子（如箭頭所指）。圖a中標(biāo)出了C14、C15、 和Mg4Zn7等晶體相的結(jié)構(gòu)單元，但它們的尺寸通常不超過(guò)一個(gè)單胞大小。
圖4、析出相中顯示理想的五次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性的二十面體串（紫色五邊形所示）處的四棱柱和扁六棱柱排列規(guī)律。m代表對(duì)稱(chēng)元素—“鏡面”，s代表相鄰兩個(gè)共面二十面體之間的距離（~0.45nm），?
是黃金分割數(shù)。括號(hào)內(nèi)的第一個(gè)數(shù)字表示72 四棱柱的數(shù)量，第二個(gè)數(shù)字表示扁六棱柱的數(shù)量。
圖5、（a）均勻形核的晶核顯示C14 Laves相結(jié)構(gòu)；（b）均勻形核長(zhǎng)大的析出相內(nèi)往往存在較大的晶體疇結(jié)構(gòu)，疇的尺寸遠(yuǎn)大于晶體相單胞大小。由此推斷，位錯(cuò)芯處的五元環(huán)結(jié)構(gòu)在類(lèi)Penrose隨機(jī)拼接結(jié)構(gòu)析出相的形成中發(fā)揮了重要作用。
圖6、（a-c）Mg柱面位錯(cuò)芯結(jié)構(gòu)的分子動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)模擬，其中：圖b中的數(shù)字1-5標(biāo)出了五元環(huán)中心的原子柱，圖c中示意地勾勒出Zn原子進(jìn)入間隙后與位錯(cuò)芯出的五元環(huán)構(gòu)成的一個(gè)二十面體團(tuán)簇；（d）以Mg八面體中心為軸的二十面體串（黑色五邊形）在Mg基體晶格中構(gòu)成四棱柱和扁六棱柱的示意圖。
