準晶的發現沖擊了凝聚態物質關于晶體平移周期性的概念。準晶一經發現，就因其特殊的結構和性能激發起材料和凝聚態物理等多個領域的研究熱潮。郭可信先生在金屬研究所領導的研究隊伍在準晶研究上取得了一批有影響力的科學成果。以色列科學家Shechtman因發現準晶被授予2011年的諾貝爾化學獎。但準晶的形核與長大理論仍停留在模型階段，缺乏實驗的支持，因此準晶起源的原子尺度機理仍是極具挑戰性的科學問題。
位錯不僅直接影響材料的物理、化學和力學等一系列性能，而且可以促進強化相的異質形核析出，從而影響材料顯微結構及其演變規律，因此是材料科學研究的重要內容之一。位錯破壞了晶體中局域原子堆垛的對稱性，在位錯芯引入五元環、七元環等基體晶格中不存在的原子構型。二十面體原子團簇具有五次旋轉對稱，是一種低能量的原子組態。人們推測凝固過程中準晶很可能是由過冷液態金屬中的二十面體團簇發展而來的。金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室固體原子像研究部的楊志卿博士與葉恒強研究員基于位錯芯局域原子排列和準晶團簇兩者間結構之間相似的五次旋轉對稱性，提出了晶體中的位錯可能作為二十面體團簇的形核點，進而誘發準晶固態析出的研究構想。
楊志卿等人利用掃描透射電子顯微術系統地研究了Mg-Zn二元合金中Zn原子在位錯芯處的偏聚和局域結構演化，發現沿位錯形成的析出相不是MgZn2、Mg4Zn7等拓撲密堆晶體相，而顯示準周期性的類Penrose隨機拼接結構。該新型二元準周期析出相的結構單元為由13個原子構成的二十面體，遠小于其他準晶中的Bergman團簇（136個原子）和Yb-Cd團簇（158個原子）；而且需要特別指出的是，已知的所有Mg-Zn二元晶體相都非準晶的近似晶體相。偏聚到位錯芯處的部分Zn原子首先進入相鄰五元環之間的間隙位，形成沿[0001]方向的間隙原子柱；隨后，五元環上的原子發生結構弛豫和重組，產生以[0001]間隙原子柱為中心的二十面體串。新型準晶內的部分二十面體串上沿軸向堆垛的相鄰五元環分別由5個Zn原子或5個Mg原子組成，顯示理想的五次旋轉對稱性。相鄰二十面體串通過共邊或共面的方式組成72 四棱柱和扁六棱柱，它們繞5個方向隨機地平行拼接起來，形成具有類Penrose拼接結構的準周期析出相。隨機拼接結構能最大化體系的熵密度，使得新型二元Mg-Zn準周期析出相具有良好的結構熱穩定性，在340 仍不發生結構失穩。本研究不僅發現了一種新型由超小結構單元構成的二元準周期結構，而且闡明了晶體缺陷造成的局域對稱性破缺和準周期結構析出之間聯系的微觀機理，從而拓展了晶體缺陷與準周期性結構形成的研究內容。所觀察到的新型結構顯示局域五次對稱性，雖然仍非理想Penrose準晶，但目前的研究結果可為揭示三維理想準晶的形成機理提供有益的參考。針對由二維類Penrose拼接結構準晶向三維理想準晶轉變的研究正在進行中。
該研究得到國家自然科學基金委面上項目、重大項目，及科學院前沿科學重點項目的資助，其中關于準周期結構形核階段的部分低壓電鏡研究工作在美國橡樹嶺國家實驗室完成。文章于2月23日在Nature Communications上在線發表（Nature Communications，9：809，DOI：10.1038/s41467-018-03250-8，2018）。
圖1、冷軋后，300 熱處理約5分鐘的樣品中位錯芯處的原子構型。（a-c）沿著Mg基體[0001]晶帶軸觀察到Zn原子在柱面位錯處的偏聚，部分原子進入八面體間隙（圓圈所示位置）形成不完整的二十面體結構；（d，e）位錯周圍的應變場。
圖2、冷軋后，300 熱處理或攪拌摩擦處理樣品內位錯上形成的復雜結構析出相。
圖3、具有類Penrose拼接結構的較大尺寸析出相。（a）沿Mg基體[0001]帶軸觀察的冷軋后300 熱處理約10分鐘樣品內位錯上的析出相；（b）C14 Laves相中二十面體單元的原子構型；（c）析出相內顯示繞二十面體串軸向嚴格五次旋轉對稱的二十面體團簇的原子構型；（d）沿Mg基體[0001]帶軸觀察的攪拌摩擦處理后經340 熱處理60分鐘的樣品內的析出相，右上角插圖中箭頭指向分布在圓周上的10個衍射斑點；（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中標出了C14、C15、 和Mg4Zn7等晶體相的結構單元，但它們的尺寸通常不超過一個單胞大小。
圖4、析出相中顯示理想的五次旋轉對稱性的二十面體串（紫色五邊形所示）處的四棱柱和扁六棱柱排列規律。m代表對稱元素—“鏡面”，s代表相鄰兩個共面二十面體之間的距離（~0.45nm），?
是黃金分割數。括號內的第一個數字表示72 四棱柱的數量，第二個數字表示扁六棱柱的數量。
圖5、（a）均勻形核的晶核顯示C14 Laves相結構；（b）均勻形核長大的析出相內往往存在較大的晶體疇結構，疇的尺寸遠大于晶體相單胞大小。由此推斷，位錯芯處的五元環結構在類Penrose隨機拼接結構析出相的形成中發揮了重要作用。
圖6、（a-c）Mg柱面位錯芯結構的分子動力學動力學模擬，其中：圖b中的數字1-5標出了五元環中心的原子柱，圖c中示意地勾勒出Zn原子進入間隙后與位錯芯出的五元環構成的一個二十面體團簇；（d）以Mg八面體中心為軸的二十面體串（黑色五邊形）在Mg基體晶格中構成四棱柱和扁六棱柱的示意圖。
