Crystallography of Quasicrystals pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Deloudi, Sofia

出品人:

页数:384

译者:

出版时间:

价格:$ 213.57

装帧:

isbn号码:9783642018985

丛书系列:

图书标签:

Quasicrystals
Crystallography
Materials Science
Solid State Physics
Diffraction
Non-periodic structures
Aperiodic crystals
Phase transitions
Mathematical physics
Condensed matter physics

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具体描述

From tilings to quasicrystal structures and from surfaces to the n-dimensional approach, this book gives a full, self-contained in-depth description of the crystallography of quasicrystals. It aims not only at conveying the concepts and a precise picture of the structures of quasicrystals, but it also enables the interested reader to enter the field of quasicrystal structure analysis. Going beyond metallic quasicrystals, it also describes the new, dynamically growing field of photonic quasicrystals. The readership will be graduate students and researchers in crystallography, solid-state physics, materials science, solid- state chemistry and applied mathematics.

晶体学：从规律到异常的探索导言晶体，作为自然界中物质排列有序的典型代表，其独特的几何结构和物理性质长期以来吸引着科学家们的目光。从古老的宝石切割到现代的半导体技术，晶体学知识的积累与应用贯穿了人类文明的进程。然而，科学的魅力恰恰在于其不断挑战固有认知，探索未知边界。正当人们以为晶体的有序性已经展现得淋漓尽致之时，一类“异常”的有序结构——准晶（Quasicrystals）——的出现，彻底颠覆了人们对晶体结构的传统理解，为晶体学这一古老学科注入了全新的活力。本书《晶体学：从规律到异常的探索》旨在深入剖析晶体学领域的发展脉络，重点关注从经典晶体结构理论的建立，到准晶这一颠覆性发现的诞生与深入研究的全过程。我们不仅将回顾晶体学作为一门学科是如何逐步成熟，其核心概念如何被定义和发展，还将详细探讨准晶的出现对传统晶体学理论提出的挑战，以及科学家们如何克服这些挑战，建立起描述和理解准晶的新理论和新方法。本书将带领读者穿越晶体学发展的历史长河，理解科学发现的曲折与创新，最终领略物质世界中秩序之美的多样性与丰富性。第一章：经典晶体学——有序之基石本章将追溯晶体学早期发展的历史足迹。我们将从对晶体宏观几何形态的观察入手，介绍早期科学家们如何通过几何学方法来描述晶体表面形成的独特角度关系，例如著名的“常角定律”（Law of Constancy of Interfacial Angles）。随后，我们将深入到晶体的微观结构，探讨布拉维格子（Bravais lattices）的概念。这一革命性的理论为理解晶体内部原子或分子的周期性排列提供了清晰的框架。布拉维格子理论将三维空间中的无穷多可能的点阵归结为14种基本类型，为后续的衍射实验分析奠定了理论基础。本章还将详细阐述X射线衍射（X-ray Diffraction）技术对晶体学发展的决定性作用。劳厄（Max von Laue）发现了X射线衍射现象，布拉格父子（William Henry Bragg and William Lawrence Bragg）则发展了布拉格定律（Bragg's Law），使得科学家能够通过分析X射线在晶体中的衍射图案，反推出晶体内部原子的精确排列方式。我们将详细介绍这一过程，包括衍射图样的解读、晶胞（Unit cell）的确定、原子在晶胞内的位置参数等。此外，我们还将讨论不同晶体对称性（Crystal symmetry）的概念，如旋转对称轴、镜面、反演中心等，以及它们在晶体分类和性质预测中的重要性。傅里叶分析（Fourier analysis）作为一种强大的数学工具，在解析复杂晶体结构中也发挥了关键作用，本章将对其在晶体学中的应用进行介绍。第二章：对称性与晶体世界的法则对称性是晶体学中最具普适性和深刻性的概念之一。本章将聚焦于晶体的对称性理论。我们将从最基本的对称操作（如旋转、反射、平移）开始，逐步引入点群（Point groups）和空间群（Space groups）的概念。点群描述了晶体在空间中可能存在的全部对称元素组合，而空间群则在点群的基础上增加了晶格的平移对称性，从而更全面地描述了晶体的周期性重复。我们将介绍国际晶体学联合会（International Union of Crystallography, IUCr）制定的空间群符号系统，并举例说明不同空间群如何对应于不同的晶体结构类型。理解晶体的对称性不仅有助于我们描述其几何形态，更对其物理性质有着至关重要的影响。本章将探讨对称性如何决定晶体的光学性质（如双折射）、电学性质（如压电性、铁电性）以及力学性质（如弹性各向异性）。我们将解释为什么某些宏观性质在晶体中表现出方向依赖性，而另一些则不会。此外，晶体生长过程中的生长规章（Growth rules）也与晶体的对称性密切相关。我们将讨论晶体学中的“禁止因子”（Forbidden growth）概念，以及对称性在解释晶体生长中的优势取向和习性（Habit）方面的作用。第三章：晶体生长与结构缺陷晶体并非总是完美的，其生长过程中的动力学以及内部存在的各种缺陷，深刻影响着晶体的性质和性能。本章将深入探讨晶体的生长理论，包括成核（Nucleation）和生长（Growth）的两个基本阶段。我们将介绍不同生长机制，如表面吸附-脱附机制、分子束外延（Molecular beam epitaxy, MBE）等，以及这些机制如何影响晶体的微观形貌和表面结构。本章还将详细介绍晶体中的各种结构缺陷。点缺陷（Point defects）是晶格中一个或几个原子的缺失、间隙或取代，如空位（Vacancies）、填隙原子（Interstitials）、取代原子（Substitutional atoms）等。线缺陷（Line defects）则包括位错（Dislocations），它们是导致晶体塑性变形的关键。面缺陷（Surface defects）如晶界（Grain boundaries）和层错（Stacking faults）等，也对材料的机械和电学性质产生显著影响。我们将详细阐述这些缺陷的形成机理、表征方法（如透射电子显微镜，TEM）以及它们对晶体性能的影响，例如位错如何影响金属的强度，点缺陷如何影响半导体的导电性。第四章：衍射理论的深化与挑战 X射线衍射作为晶体结构分析的金标准，其理论基础也在不断深化和拓展。本章将回顾衍射理论在经典晶体学中的应用，并介绍一些更高级的衍射技术和分析方法。我们将深入讨论衍射强度（Diffraction intensity）与原子因子（Atomic form factor）和结构因子（Structure factor）之间的关系，以及如何通过精确测量衍射峰的强度来确定晶体中原子的类型和位置。然而，当物质的有序结构不再严格遵循三维空间中的周期性平移对称性时，传统的衍射理论就遇到了挑战。尽管如此，科学家们仍然可以通过分析其衍射图案，发现其中隐藏的“有序”信息。本章将初步引入对“准周期性”（Quasiperiodicity）的概念的探索，以及其在衍射空间中的体现。我们将讨论一些具有复杂有序结构但不同于经典晶体的物质，为后续准晶的出现做好铺垫。第五章：准晶的诞生——一次颠覆性的发现本章将迎来本书的核心内容——准晶的发现及其意义。我们将详细叙述1984年丹·谢赫特曼（Dan Shechtman）及其同事在实验中观测到一种具有五重旋转对称性的衍射图案的Aluminum-Manganese（Al-Mn）合金。在当时的科学界，五重旋转对称性被认为是晶体学中“禁止对称性”（Forbidden symmetry），因为传统晶体学理论认为，三维空间中的周期性排列无法形成五重对称性。谢赫特曼的发现引起了巨大的争议，甚至遭受了科学界的质疑和排斥。我们将深入探讨准晶的定义及其与传统晶体的根本区别。准晶并非无序，而是呈现出一种“准周期性”的有序排列。这种有序性体现在其数学描述上，例如不可约五重对称性（Icosahedral symmetry）和不可约十重对称性（Decagonal symmetry）。我们将介绍描述准晶结构的数学模型，如不可约五维空间（quasicrystal）中的投影模型，以及彭罗斯密铺（Penrose tiling）等二维准周期结构在理解准晶结构中的类比作用。本书将侧重于阐述准晶的发现过程，强调科学探索的勇气、实验证据的重要性以及颠覆性发现所面临的阻力和最终的认可。第六章：准晶的数学描述与理论框架准晶的出现迫使科学家们发展全新的数学工具和理论框架来描述其独特的结构。本章将深入探讨用于描述准晶的数学模型。我们将详细介绍“晶格”（Lattice）概念在准晶领域的扩展，以及“准晶格”（Quasicrystal lattice）的定义。我们将解释准晶的衍射图案如何体现其准周期性，以及如何通过“维数提升”（Dimensional uplift）的方法，将其置于更高维度的周期性空间中进行描述。本章还将重点介绍描述准晶结构的模型，例如“原子簇模型”（Atomic cluster models）和“密铺模型”（Tiling models）。我们将讨论一些典型的准晶相，如二十面体相（Icosahedral phase）和十重相（Decagonal phase），并介绍它们的形成条件和原子排列特点。我们还将介绍描述准晶有序性的数学概念，如“载荷”（Modulation）和“共振”（Resonance），以及它们在解释准晶结构稳定性中的作用。第七章：准晶的物理性质——新奇与多样准晶并非仅仅是数学上的奇观，它们还展现出一系列独特且新颖的物理性质，这些性质与传统晶体有着显著差异。本章将详细介绍准晶的各类物理性质。我们将探讨其电子结构，例如准晶中可能存在的“电子局域化”（Electron localization）现象，以及这如何影响其导电性。我们将介绍一些准晶的低热导率（Low thermal conductivity）特性，以及它们在隔热材料领域的潜在应用。此外，本章还将讨论准晶的力学性质，例如其优异的耐磨性（Wear resistance）和硬度（Hardness）。一些准晶合金还表现出特殊的表面性质，例如其较低的表面能（Low surface energy），这使其在催化剂和薄膜材料领域具有研究价值。本书还将提及准晶在磁性（Magnetism）和光学（Optics）方面的研究进展。我们将通过具体例子，阐述准晶的这些新奇性质是如何源于其独特的原子排列和对称性，并讨论它们在实际应用中的潜力和挑战。第八章：准晶的形成机理与生长动力学理解准晶是如何形成的，是推动其应用的关键。本章将深入探讨准晶的形成机理。我们将介绍准晶形成所需的特定元素组合和热力学条件。我们将讨论“金属间化合物”（Intermetallic compounds）在准晶形成中的重要作用，以及合金元素的配比如何影响准晶相的稳定性。本章还将关注准晶的生长动力学。我们将介绍准晶在凝固过程中的生长过程，以及其界面动力学（Interface dynamics）的特点。我们将探讨“非平衡凝固”（Non-equilibrium solidification）技术在制备准晶材料中的重要性，例如快速凝固（Rapid solidification）和机械合金化（Mechanical alloying）等方法。我们将分析准晶生长过程中可能遇到的挑战，例如晶体缺陷的形成以及不同相的竞争，并介绍科学家们如何通过控制工艺参数来优化准晶材料的质量。第九章：准晶在科学与技术中的应用前景准晶独特而优异的物理性质，使其在多个科学领域和高技术产业中展现出巨大的应用潜力。本章将重点展望准晶的应用前景。我们将详细介绍准晶在高性能涂层（High-performance coatings）方面的应用，例如其作为耐磨涂层和防腐蚀涂层的优势。我们将讨论准晶作为催化剂（Catalyst）的潜力，由于其特殊的表面结构和电子性质，一些准晶材料在某些化学反应中表现出优异的催化活性。此外，本章还将关注准晶在热电材料（Thermoelectric materials）和隔热材料（Insulating materials）领域的应用。准晶的低热导率使其有望成为高效的热电转换材料。我们还将探讨准晶在功能薄膜（Functional thin films）、传感器（Sensors）以及生物材料（Biomaterials）等领域的最新研究进展。最后，我们将讨论当前准晶研究中仍然存在的挑战，例如制备工艺的优化、性能的进一步提升以及规模化生产等问题，并展望准晶未来的发展方向。结论《晶体学：从规律到异常的探索》一书，通过对晶体学发展历程的回顾，特别是对准晶这一颠覆性发现的深入剖析，展现了科学探索的精神。从经典晶体学对周期性有序的深刻理解，到准晶对这一传统观念的挑战与拓展，本书揭示了科学真理是如何在质疑与求证中不断前进的。准晶的出现不仅丰富了我们对物质结构多样性的认识，也为新材料的设计与开发开辟了全新的路径。本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，去理解晶体学这一学科的演进，以及它如何不断挑战极限，揭示物质世界中隐藏的秩序之美。