密歇根大学的科学家破解了关于准晶体的长期谜题——这种奇异材料横跨晶体的有序结构与玻璃的无序状态之间的界线。通过尖端量子模拟，这类曾被认为违反物理定律的稀有固体现已被证实具有本质稳定性。该发现不仅证实了它们的存在，更为使用强大的新型计算技术设计下一代材料打开了大门。
这些发现源自首个对准晶的量子力学模拟研究——准晶是一种科学家曾认为不可能存在的固体类型。虽然准晶中的原子像晶体一样呈晶格排列，但其原子排列模式不像传统晶体那样周期性重复。新的模拟方法表明，尽管准晶与玻璃等无序固体具有相似性（后者通过快速加热冷却形成），但准晶与晶体一样本质上属于稳定材料。
"要设计具有特定性能的材料，必须掌握原子定向排列的机制"，密歇根大学材料科学与工程系助理教授、论文通讯作者Wenhao Sun指出，"准晶的出现迫使我们重新思考材料形成的原理。在我们的研究之前，学界对其存在机理尚未达成共识。"
一、准晶的发现与理论突破
当以色列科学家Daniel Shechtman于1984年首次描述准晶时，它似乎挑战了经典物理定律。在铝锰合金实验中，Shechtman观察到金属原子呈现由多个二十面体连接形成的结构，这种结构赋予材料五次对称性——从五个不同视角观察都具有相同形貌。当时学界认为晶体原子只能沿各方向周期性排列，而五次对称性打破了这种认知。虽然Shechtman最终凭借该发现获得2011年诺贝尔化学奖，但准晶形成的热力学机制仍是未解之谜。
关键瓶颈在于传统的密度泛函理论（DFT）依赖无限重复的周期性结构进行能量计算，而准晶的非周期性使其无法直接应用该方法。研究团队开发的创新方法通过以下步骤突破限制：
- 从大块准晶模型中提取不同尺度的纳米颗粒
- 计算每个纳米颗粒的总能量（含表面能和体积能）
- 通过尺寸外推法推导大块准晶的体相能量
二、准晶稳定机制的新见解
通过对钪锌合金和镱镉合金两种典型准晶的模拟，研究发现其总能量低于对应晶体相，证实了准晶的焓稳定特性。这与玻璃等熵稳定材料形成鲜明对比，后者在缓慢冷却时会自发转变为晶体态。
值得关注的是，准晶呈现介于晶体与玻璃之间的独特结构特征：
| 特征 | 晶体 | 准晶 | 玻璃 |
|---|---|---|---|
| 远程有序 | ✔️ | ❌ | ❌ |
| 局域有序 | ✔️ | ✔️ | ❌ |
| 热力学稳定性 | 焓驱动 | 焓驱动 | 熵驱动 |
三、算法创新与计算突破
研究团队开发的新型GPU加速算法解决了传统DFT方法的计算瓶颈：
- 采用局部处理器通信模式，减少90%的通信开销
- 通过自适应网格优化内存分配
- 实现百万原子级别的模拟规模
这使得准晶表面能、晶界缺陷等复杂问题的模拟成为可能，为量子位材料设计开辟新途径。
四、研究意义与展望
该成果不仅解释了准晶存在的物理基础，其方法论还可拓展至其他非周期材料系统：
- 为纳米粒子自组装准晶提供理论指引
- 推动新型热电材料的设计开发
- 助力拓扑量子材料中缺陷工程的研究
研究团队目前正与实验组合作验证理论预测，下一步计划探索高压环境下准晶的相变行为。
（本工作获美国能源部资助，使用劳伦斯伯克利国家实验室等超算资源完成）