科学家刚刚破解了准晶体40年未解之谜

这些发现源自首次对准晶体进行的量子力学模拟。准晶体是一种曾被科学家认为不可能存在的固体。虽然准晶体的原子像晶体一样排列在晶格中，但其原子排列模式不像传统晶体那样重复。新的模拟方法表明，准晶体与晶体一样，本质上是稳定的材料，尽管它们与玻璃等无序固体（由快速加热和冷却形成）有相似之处。

"如果我们想设计具有特定性能的材料，就需要知道如何将原子排列成特定结构，" 材料科学与工程系道氏早期职业助理教授、今日发表在《自然·物理学》期刊上论文的通讯作者孙文豪（音译）表示。"准晶体迫使我们重新思考某些材料形成的方式和原因。在我们的研究之前，科学家们一直不清楚它们为何存在。"

当以色列科学家丹尼尔·谢赫特曼于1984年首次描述准晶体时，它们似乎违背了物理学规律。在实验铝锰合金时，谢赫特曼发现某些金属原子排列成二十面体结构，如同许多二十面骰子通过面连接在一起。这种形状赋予材料五重对称性——从五个不同视角看都完全相同。

当时的科学家认为晶体内部的原子只能沿每个方向重复排列，但五重对称性排除了这种可能性。谢赫特曼最初因提出这一"不可能"的观点而受到严格审查，但其他实验室后来成功制造出准晶体，并在十亿年前的陨石中发现了它们。

谢赫特曼最终因其发现于2011年获得诺贝尔化学奖，但科学家们仍无法回答准晶体如何形成的基本问题。障碍在于密度泛函理论——这种计算晶体稳定性的量子力学方法——依赖于无限重复的序列模式，而这正是准晶体所不具备的。

"理解一种材料的第一步是知道是什么使其稳定，但一直难以判断准晶体是如何稳定的，" 该研究第一作者、密歇根大学材料科学与工程博士生白宇贤（音译）表示。

任何给定材料中的原子通常排列成晶体，使化学键达到最低可能能量。科学家称此类结构为焓稳定晶体。但其他材料的形成是因为它们具有高熵，意味着其原子排列或振动的方式多种多样。

玻璃是熵稳定固体的一个例子。它在熔融二氧化硅快速冷却时形成，将原子瞬间冻结成无规则形态。但如果冷却速度减慢，或在加热的二氧化硅中加入碱，原子就能排列成石英晶体——这是室温下能量最低的优选状态。准晶体是介于玻璃和晶体之间令人费解的中间态。它们像晶体一样具有局部有序的原子排列，但又像玻璃一样，不形成长程重复模式。

为确定准晶体是焓稳定还是熵稳定，研究者的方法是从更大的模拟准研究者的方法是从更大的模拟准晶块中"挖取"较小的纳米颗粒。研究人员随后计算每个纳米颗粒的总能量，这不需要无限序列，因为颗粒具有明确的边界。

由于纳米颗粒的能量与其体积和表面积相关，对逐渐增大尺寸的纳米颗粒重复计算，使研究人员能够推断出更大准晶块内部的总能量。通过此方法，研究人员发现两种被深入研究的准晶体是焓稳定的。一种是钪锌合金，另一种是镱镉合金。

对准晶体能量的最精确估算需要尽可能大的颗粒，但使用标准算法扩大纳米颗粒尺寸很困难。对于仅含数百个原子的纳米颗粒，原子数量翻倍会使计算时间增加八倍。但研究人员也找到了解决计算瓶颈的方法。

"在传统算法中，每个计算机处理器都需要相互通信，但我们的算法速度提高了100倍，因为只有相邻处理器之间才通信，并且我们在超级计算机中高效利用了GPU加速，" 研究合著者、密歇根大学机械工程及材料科学与工程教授维克拉姆·加维尼表示。

"我们现在可以模拟玻璃和非晶材料、不同晶体之间的界面，以及可能实现量子计算比特的晶体缺陷。"

该研究由美国能源部资助，并使用了德克萨斯大学、劳伦斯伯克利国家实验室和橡树岭国家实验室的计算资源。

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Materialsprovided byUniversity of Michigan.Note: Content may be edited for style and length.

Journal Reference:

Woohyeon Baek, Sambit Das, Shibo Tan, Vikram Gavini, Wenhao Sun.Quasicrystal stability and nucleation kinetics from density functional theory.Nature Physics, 2025; DOI:10.1038/s41567-025-02925-6