科学家刚刚破解了一个关于准晶体的四十年未解之谜

这些发现源自对准晶体的首次量子力学模拟——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，但其原子排列模式并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，尽管它们与无序固体（如玻璃）相似，而玻璃是在快速加热和冷却过程中形成的。

"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浩（音译）表示。"准晶体迫使我们重新思考某些材料如何形成及为何能形成。在我们的研究之前，科学家们并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。在铝锰合金实验中，谢赫特曼发现某些金属原子排列成二十面体结构，宛如许多二十面骰子通过面连接而成。这种结构赋予材料五次对称性——从五个不同视点观察呈现完全相同的形态。

当时科学家认为晶体内部的原子只能以每个方向重复的序列排列，但五次对称性排除了这种可能性。谢赫特曼最初因提出这个"不可能"的理论而受到强烈质疑，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。

谢赫特曼最终因这一发现获得2011年诺贝尔化学奖，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，而这正是准晶体所缺乏的。

"理解材料的第一步是了解其稳定性来源，但一直难以确定准晶体如何获得稳定性，"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。但其他材料的形成源于高熵值，即其原子存在多种排列或振动方式。

玻璃就是熵稳定固体的典型实例。熔融二氧化硅快速冷却时，原子瞬间冻结成无规则形态。但如果冷却速率减慢，或在加热的二氧化硅中添加碱基，原子就能排列成石英晶体——室温下能量最低的稳定状态。准晶体是介于玻璃和晶体之间的谜团：它们具有类似晶体的局部有序原子排列，却又像玻璃般无法形成长程重复模式。

为判断准晶体属于焓稳定还是熵稳定，研究团队的方法是从大型模拟准晶体块中"挖取"较小纳米颗粒。随后计算每个纳米颗粒的总能量，由于颗粒具有明确边界，无需无限序列。

鉴于纳米颗粒能量与其体积和表面积相关，通过对增大尺寸的纳米颗粒重复计算，研究者可推算出更大准晶体块的总能量。该方法揭示两种深入研究的准晶体（钪锌合金与镱镉合金）均属焓稳定类型。

最精确的准晶体能量估算需要尽可能大的颗粒，但用标准算法扩大纳米颗粒尺寸极为困难。对于仅含数百个原子的纳米颗粒，原子数量倍增会使计算时间增长八倍。研究团队也找到了解决计算瓶颈的方案。

"传统算法要求每个计算机处理器相互通信，而我们的算法提速达百倍，因为仅相邻处理器需要通信，并高效利用超级计算机的GPU加速，"研究合著者、密歇根大学机械工程与材料科学教授维克拉姆·加维尼解释。

"我们现在能模拟玻璃与非晶材料、不同晶体间的界面，以及可实现量子计算比特的晶体缺陷。"

本研究由美国能源部资助，并依托德克萨斯大学、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完成。