晶体、非晶质体与准晶体的概念

原子在空间有序排列的称为晶体，无序的为非晶体。在一定情况可相互转换。至于准晶体我不清楚是什么，可能是介于二者之间的

晶体内部结构具有周期性, 准晶体没有周期性, 有对称性, 非晶体物质既无周期性也没有对称性

1.晶体与非晶质体

晶体是人类日常生产生活中随时可见的一种物质，我们厨房里的食盐、冰糖、刀叉、陶碗，冬天的冰雪，大地里的土壤和岩石，工厂里的许多固体化学药品等，都是由晶体组成的。我们的古人对晶体的认识是从具有几何多面体外形且透明的水晶（石英SiO₂，图1-1a）开始的，之后又将天然产出的具有几何多面体外形的固体，如图1-1所示的方解石和黄铁矿等，均称为晶体。显然，这种认识并不全面。例如，石英在自然界既可以呈多面体形态的水晶产出，也可以呈外形不规则的颗粒状生成于岩石之中。这两种形态的石英，其成分、物性和内部结构等并无不同。因此，仅仅从有无规则几何多面体的形态来区分是否为晶体，不能反映晶体的内在本质。

尽管如此，人们在实践中也逐渐认识到，只要具备良好的生长条件，特别是空间条件，所有晶体都能自发地长成规则的几何多面体。这种现象必然与其内部结构有关，由此推测晶体是由呈平行六面体的小块堆积而成的，具有格子构造。1912年，德国物理学家劳埃（M.V.Laue）利用X射线衍射分析技术测定了石盐的晶体结构，后来人们又对大量晶体进行了X射线衍射分析，从而证明，一切晶体，无论外形如何，其内部质点（原子、离子或分子）都是作规律排列的。这种规律表现为，质点在三维空间作周期性的平移重复，从而构成了所谓的格子构造。20世纪末期这一认识更得到透射电子显微镜的直观证明。下面以石盐（NaCl）的晶体结构为例，来说明晶体内部质点的排列规律。

图1-2表示从石盐内部结构中割取出来的由Cl^-离子和Na⁺离子堆积而成的立方体小块。其中的Cl^-离子和Na⁺离子沿立方体小块的棱方向以0.5628nm的间隔交替排列，而在立方体的面对角线方向上各自以0.3978nm的相等间隔连续排列；在其他任何方向上，虽然离子的具体排列方式和间隔各有不同，但无不以一定的间隔周期重复出现，从而构成立方体格子构造。石盐之所以能在一定条件下生长成规则的立方体外形，就是由它内部的这种格子构造所决定的。

图1-1 具几何多面体外形的晶体

图1-2 石盐的晶体结构

对于其他任何一种晶体而言，情况都是类似的：无论外形是否规则，它们的内部质点在三维空间都有规律地呈周期性平移重复排列而形成格子状构造，这是一切晶体所共有的性质。所不同的仅仅是，不同的晶体，它们的质点种类不同，排列的方式和间隔大小相应地也就不同罢了。

晶体的上述特性，反映了晶体与呈其他状态物体之间的根本区别。因此，晶体（crystal）的现代定义是：晶体是内部质点在三维空间呈周期性平移重复排列而形成格子构造的固体。相应地，内部质点在三维空间成周期性平移重复排列的固态物质，便称为结晶质。习惯上，有时仍然将“晶体”这一名称专门用以指具有几何多面体外形的晶体，而将不具几何多面体外形的晶体称为“晶粒”或“晶块”。

非晶质体是与晶体相对立的概念，它也是一种固态物质，但内部质点在三维空间不成周期性平移重复排列。非晶质体与晶体在结构上的差异，可从图1-3所示晶体和玻璃中质点的平面分布看出：在晶体（图1-3a）中，一种质点（黑点）周围的另一种质点（小圆圈）的排列相同，即每个黑点都被分布于三角形顶点的三个圆圈所围绕，而每个圆圈均居于以两个黑点为端点的直线中央。这种质点局部分布的规律性叫做近程规律或短程有序（short range order）。不仅如此，晶体中每个质点（黑点或圆圈）在整个图形中都各自呈现有规律的周期性平移重复，把周期重复的点用直线联结起来，可获得平行四边形网格。可以想象，在三维空间，这种网格将构成空间格子。这种质点排布方式在整个晶体中贯穿始终的规律称为远程规律或长程有序（long range or-der）。在非晶质体如玻璃体（图1-3b）中，质点虽然可以是短程有序的（每个黑点为三个圆圈围绕），但不存在远程规律，与液体的结构相似。

在一定的条件下，晶体和非晶质体是可以相互转化的。例如，由岩浆快速冷凝形成的非晶态的火山玻璃，在以后的地质年代中，通过其内部质点极其缓慢的自发的扩散、调整过程而趋于规则排列，实现由非晶态逐渐向结晶态的转化。该过程以首先形成一些细小而状如苔藓、毛发或花瓣的所谓雏晶（图1-4）开始，而后逐渐长大，最终变成晶质矿物。这种由非晶质体经调整其内部质点的排列方式而向晶体转变的作用，我们称之为脱玻化（devitrification）或晶化（crystallizing）作用。相反的变化，即晶体因内部质点的规则排列遭受破坏而向非晶质体转化的作用，则称为玻璃化（vitrification）或非晶化（non-crystallizing）作用。例如一些含放射性元素的矿物，由于受到放射性蜕变时所发出的a射线之作用，晶格遭到破坏而转变为非晶态的“变生矿物”，但仍可保持原来的几何多面体外形。

图1-3 晶体（a）与玻璃（b）中质点平面分布示意图

（据潘兆橹等，1993）

图1-4 火山玻璃脱玻化而成的花瓣状雏晶

（据路凤香等，2001）

应当指出的是，晶体由于其内部质点都呈规律排列而处于平衡位置，其内能为最小，因而相对于同种物质的不同物态而言，它是最稳定的，所以，玻璃化作用的发生，肯定地总是与能量的传入和物质成分的变化相联系的；但脱玻化作用则完全可以自发进行。

正因为晶体是最稳定的，因而其分布极为广泛，除自然生成的矿物外，许多食品、生活用品、化工制品等都是晶体。天然晶体形态多样，大小悬殊，大者可重达百吨，直径达数十米；小的则仅几个微米甚至若干纳米大小，需借助显微镜甚至电子显微镜或X射线分析才能识别。相比之下，非晶质体在自然产出的物质中仅有像琥珀、树脂、沥青、火山玻璃、水铝英石几种以及少数变生矿物（如褐钇铌矿、褐帘石等），在非天然物质中也只有诸如玻璃、塑料等少数几种，这与非晶质体的不稳定性是密切相关的。

2.准晶体

1984年，Shechtman和Cahn，以及我国学者叶恒强和郭可信等人分别在急冷凝固的Al₁₂Mn和（Ti_1.9V_0.1）₂Ni合金中各自独立发现了一种质点分布呈短程有序和非整周期平移重复的新的凝聚态物质。后来，人们在许多合金中发现具有类似性质的物质，它们具有传统结晶学中不存在的5次或6次以上如8次、10次、12次等旋转对称（图1-5）。这种特殊的固体被称为准晶体。起初，人们认为准晶体是在结构上介于非晶体和晶体之间的一类固体，但其结构形式一直不甚明了。目前，人们趋向于认为：准晶体（quasicrystal）是质点的排列符合短程有序，有严格的位置序和自相似分形结构但不体现周期平移重复，即不存在格子构造的一类固体。

图1-5 具5次（a）和10次（b）对称轴的准晶体结构图

（据彭志忠，1988）