科学家刚刚破解了准晶体领域长达40年的谜团

这些发现来自于对准晶体的首次量子力学模拟——准晶体是一种科学家曾认为不可能存在的固体。虽然准晶体中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——就像晶体一样——是本质上稳定的材料，尽管它们类似于无序固体（如玻璃，玻璃是在快速加热和冷却过程中形成的）。

“如果我们想要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的结构，” 材料科学与工程系的陶氏早期职业助理教授、今日发表在《自然·物理学》上的论文通讯作者孙文豪说道。“准晶体迫使我们重新思考某些材料如何以及为何能够形成。在我们的研究之前，科学家们尚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。谢赫特曼在用铝锰合金进行实验时意识到，其中某些金属的原子排列成二十面体结构，类似于许多二十面骰子通过其面连接在一起。这种形状使材料具有五重对称性——从五个不同的视角看都完全相同。

当时的科学家认为晶体内的原子只能以在每个方向上都重复的序列排列，但五重对称性排除了这种图案的可能性。谢赫特曼最初因为提出了这个不可能的想法而面临严格审查，但后来其他实验室也制造出了自己的准晶体，并在有十亿年历史的陨石中发现了它们。

谢赫特曼最终因其发现获得了2011年诺贝尔化学奖，但科学家们仍然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——计算晶体稳定性的量子力学方法——依赖于无限重复序列的图案，而准晶体缺乏这种图案。

“理解一种材料的第一步是知道是什么使它稳定，但要判断准晶体是如何稳定的却一直很困难，” 该研究的第一作者、密歇根大学材料科学与工程专业博士生白宇贤说。

任何给定材料中的原子通常排列成晶体，以使化学键达到最低可能的能量。科学家称这种结构为焓稳定晶体。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有很多种。

玻璃是熵稳定固体的一个例子。它在熔融的二氧化硅快速冷却时形成，将原子瞬间冻结成无规则的形态。但如果冷却速率减慢，或者在加热的二氧化硅中添加碱，原子就可以排列成石英晶体——这是室温下优选的、能量最低的状态。准晶体是介于玻璃和晶体之间令人费解的中间态。它们具有像晶体一样的局部有序原子排列，但又像玻璃一样，不形成长程的、重复的图案。

为了确定准晶体是焓稳定还是熵稳定的，研究者的方法是从一个较大的模拟准晶块中“挖出”较小的纳米粒子。然后研究人员计算每个纳米粒子的总能量，这不需要无限序列，因为粒子有明确的边界。

由于纳米粒子中的能量与其体积和表面积相关，对增大尺寸的纳米粒子重复计算，使研究人员能够推算出较大准晶块内部的总能量。通过这种方法，研究人员发现两种经过充分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。

对准晶体能量最精确的估计需要尽可能大的粒子，但使用标准算法扩大纳米粒子规模很困难。对于只有数百个原子的纳米粒子，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案。

“在传统算法中，每个计算机处理器都需要彼此通信，但我们的算法速度提高了100倍，因为只有相邻的处理器才进行通信，并且我们在超级计算机中高效利用了GPU加速，” 该研究的合著者、密歇根大学机械工程与材料科学与工程系教授维克拉姆·加维尼说道。

“我们现在可以模拟玻璃和非晶材料、不同晶体之间的界面，以及可以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。