科学家刚刚解开了一个关于准晶体长达40年的谜团

这项发现源自首次对准晶体进行的量子力学模拟。准晶体曾被科学家认为不可能存在，其原子虽像晶体般呈晶格排列，但原子图案并不像传统晶体那样周期性重复。新的模拟方法表明，准晶体与晶体类似，本质上都是稳定材料——尽管它们与玻璃等无序固体相似（这类材料因快速加热冷却而形成）。

"要设计具有特定性能的材料，我们必须掌握原子有序排列的规律，"论文通讯作者、密歇根大学材料科学与工程系Dow早期职业助理教授孙文昊（音）表示，"准晶体迫使我们重新思考某些材料形成的原理。在我们的研究之前，科学界始终无法解释其存在机制。"该成果今日发表于《自然-物理学》。

当以色列科学家丹尼尔·谢赫特曼1984年首次描述准晶体时，它似乎违背了物理定律。在铝锰合金实验中，谢赫特曼发现某些金属原子呈现二十面体排列——如同多个二十面骰子面面相连。这种结构使材料具有五重对称性，即从五个不同视角观察都完全一致。

当时科学界认为晶体原子只能沿各方向周期性排列，而五重对称性排除了这种可能性。谢赫特曼最初因提出"不可能存在"的理论备受质疑，但其他实验室后来不仅成功制备准晶体，还在十亿年历史的陨石中发现了天然样本。

尽管谢赫特曼最终因此获得2011年诺贝尔化学奖，但科学家仍无法解答准晶体形成的基本问题。障碍在于密度泛函理论——计算晶体稳定性的量子力学方法——依赖无限重复的周期性结构，而这正是准晶体所不具备的。

"理解材料的首要条件是明确其稳定机制，但准晶体的稳定原理始终成谜，"论文第一作者、密歇根大学材料科学与工程博士生白宇贤（音）解释道。

通常情况下，材料中的原子会通过化学键形成能量最低的晶体结构，科学家称此类结构为焓稳定晶体。但有些材料因其高熵特性而形成——即原子存在多种排列或振动方式。

玻璃就是典型的熵稳定固体。当熔融二氧化硅快速冷却时，原子会被"急冻"成无序状态。但如果减缓冷却速率或添加碱性物质，原子就能排列成石英晶体——室温下能量最低的稳定态。准晶体则处于玻璃与晶体之间：既像晶体那样具有局部有序排列，又如玻璃般缺乏长程周期性结构。

为判断准晶体属于焓稳定还是熵稳定，研究人员开发了新方法：从大块准晶体模拟块中提取纳米颗粒。通过计算这些有限尺寸纳米颗粒的总能量（因其边界明确而无需无限序列），发现能量与颗粒体积和表面积相关。通过递增纳米颗粒尺寸的系列计算，可外推获得大块准晶体的总能量。

运用该方法，研究人员证实两种经典准晶体（钪锌合金和镱镉合金）均属焓稳定材料。最精确的能量估算需要最大尺度的模拟，但传统算法中纳米颗粒原子数翻倍会导致计算时长增长八倍，使得扩大规模极为困难。

"传统算法要求所有处理器相互通信，而我们的新算法仅需相邻处理器通信，配合超级计算机的GPU加速，效率提升达百倍，"共同作者、密歇根大学机械工程与材料科学教授维克拉姆·加维尼表示，"现在我们可以模拟玻璃与非晶材料、多晶界面，以及可能实现量子计算位的晶体缺陷。"

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。