[科普中国]-超结构

超结构（superstructure）在某些合金“固溶体”中，当缓慢冷却达到一定温度时，原来呈无序分布的溶质原子将变为有序分布，即占据溶剂晶体点阵中一定的位置。这种固溶体称为有序固溶体，其所形成的晶体点阵称为超结构。随着超结构的形成，合金的性能发生突变，如硬度增高而电阻、塑性降低等。

概念解释超结构也称超点阵，是有序固溶体结构的通称。在通常的无序固溶体中，晶胞内各个座位是等同的（严格来说，是统计地等同），各组元的原子以完全杂乱的方式来占据各个座位；当固溶体有序化后，晶胞中的各个座位变得不等同了，不同组元的原子分别优先占有特定的座位。这样就导致原来等同的平行原子平面变得不等同了，有序固溶体的多（或单）晶衍射图样中出现一些原先所没有的线（或斑点），通称为超结构线（或斑点）。在有序化过程中（见有序－无序相变），这些超结构线（或斑点）的强度逐渐增大，而且愈来愈明锐。当完全有序实现以后，晶体的结构类型就发生变化，有时甚至点阵类型也发生变化。

许多固溶体在低温时会成为有序固溶体，此时异类原子趋于相邻，这种相称为超点阵或超结构。只有在理想
配比成分并具有简单金属晶体结构的理想单晶体中，才有可能得到完全有序的排列状态。实际上，由于晶体中存在各种缺陷和晶界，因此绝大多数情况下，不可能存在完全有序的状态。当固溶体成分不在理想配比值时，有序化程度还要减小,进行有序化的温度也比理想成分低，此外，有序化还伴随其它性质（如硬度、导电率）的变化。当异类原子的作用力很强时,发生无序的临界温度Tc可以高于材料的熔点。具有这种特性的合金就很象化合物。当作用力不太强时，一个有序固溶体到了某一临界温度就有可能成为无序固溶体，即使其成分对应于象化合物那样的理想配比值。许多典型的合金相在温度升高时会发生这种变化。1

示例广义超结构是指在一定结构层次基础上形成的某种复合结构或变异结构。以体心立方结构的成分为50%的CuZn固溶体为例：完全有序化后，晶体结构类型转变为CsCl型，而点阵类型也转变为简单立方型，但习惯上仍称之为具有超结构的固溶体。上例中超结构的晶胞尺寸和原来相同，但也有不少固溶体中超结构的出现导致晶胞尺寸变大。 最突出的例子是一些具有长周期的超结构，如CuAull，晶胞在一个方向扩大10倍。现今有人采用溅射或蒸发的方法人工制备具有长周期超结构的合金材料，研究其异常的物理性能。

超结构是指适当成分的合金在较高温度形成无序的固溶体，当温度降到临界温度Tc时变成的原子分布规则化的结构。如原子比为1∶3的Au–Cu合金在高于Tc=395℃时是无序的固溶体，在Tc时合金变成有序化的结构，Au占据面心立方晶格的角顶位置，Cu占据晶格的6个面心位置。对比同一成分的两个试样，一个试样在高于Tc温度下淬火，另一试样在低于Tc的温度下长时间退火，发现后者的X射线衍射图出现了超结构对应的衍射条纹。
合金中出现超结构时其物理性质如比热、导热性和磁性也发生明显变化。这是合金无序与有序间的转变，一般属于二级相变。2

合金的超结构转变为使问题具体明了，现以β-黄铜的超晶格转变为例讨论BW近似方法。

对于β-黄铜，NA =NB =N/2。在完全有序态情况下，A原子全部处于a座，B原子全部处于b座，A，B原子全部是正确原子。随着温度上升，b座上将出现A原子，a座上将出现B原子，这些原子是差错原子，它们的出现使晶体的有序态受到破坏。如以参数r表示占据a座的A原子的分数，则在任意温度下a座上的A原子（正确A原子）数NA（a）为Nr/2，b座上的A原子（差错A原子）数NA（b）为N/2(1-r)。由于b座上出现多少个A原子，就有多少个B原子转移到a座上，故a座上的B原子（差错B原子）数NB（a）为N/2(1-r)，又由于a，b座数目一样多，故b座上的B原子（正确B原子）数NB（b）为Nr/2。a座上的A原子数、b座上的B原子数均为号时，晶体完全有序，此时，r=1。当差错原子数和正确原子数一样多时，即a座上的A原子数和b座上的A原子数均为N/4，a座上的B原子数和b座上的B原子数亦均为N/4时，晶体完全无序，此时，r =1/2，故r可称为序参数，其变化范围为1/2≤r≤1。

由β-黄铜的晶体结构（体心立方晶格）可知，最近邻原子对由a座上的原子和近邻b座上的原子组成。由于a座（或b座）数等于N/2，如配位数设为z，则最近邻原子对总数为zN/2。设A（a）-A（b）最近邻对数NAA =zNξ/2，则B（a）-B（b）对数NBB亦为zNξ/2。因为a座上的A原子共Nr/2个，可组成zNr/2个最近邻对，故A（a）-B（b）对数NAB =zNr/2-zNξ/2 =zN/2(r-ξ)，而A（b）-B（a）对数NBA =zN/2-NAA-NBB-NAB =zN(1-r-ξ)。3

概念推广又如合金体系AB中，由A和B原子分别占据立方晶胞原点和体心位置的结构，相对于以二个统计原子占据晶胞原点与体心位置的固溶体形态是一种全有序的超结构。某些合金，当其成分接近一定原子比例时，较高温度下短程有序。缓冷到某一温度会转变为完全有序，这样的固溶体称为有序固溶体，也叫超结构。蛋白分子中由α-螺旋与β-折叠二级蛋白分子结构交替连接形成的折叠是一种超二级结构。血红蛋白中由两个α亚基与两个β亚基组成的α2-β2四聚体是具有协同载氧和脱氧生物活性的超分子结构。

所有可能的流程结构都是超结构的一个子集。超结构中包括了所有可能的结构单元。其结构参数为分流系数。分流系数值取1或0意味着对应的流程存在或不存在。运用混合0-1整数非线性规划方法优化，超结构可解决系统综合问题。

本词条内容贡献者为:

胡建平 - 副教授 - 西北工业大学