科学家刚刚破解准晶体40年谜题

这些发现源于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。尽管准晶体的原子像晶体一样排列在晶格中，但其原子排列模式与传统晶体不同，不具有周期性重复。新的模拟方法表明，准晶体与晶体类似，都是本质稳定的材料，尽管它们类似于无序固体（如玻璃——由快速加热冷却形成的产物）。

"若想设计具有特定性能的材料，我们必须知道如何将原子排列成特定结构，" 密歇根大学材料科学与工程系道氏早期职业助理教授、今日发表于《自然·物理学》的论文通讯作者孙文豪表示。"准晶体迫使我们重新思考特定材料形成的方式和原因。在我们的研究之前，科学家尚不清楚其存在机制。"

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，谢赫特曼发现部分金属原子呈二十面体结构排列，犹如多个二十面骰子通过面连接而成。这种结构使材料具有五次对称性——从五个不同视角观察呈现完全相同的形态。

当时科学家认为晶体内部原子只能沿各方向周期性排列，但五次对称性排除了这种可能性。谢赫特曼因提出这一"不可能"理论而受到质疑，但其他实验室后来成功制备出准晶体，并在十亿年历史的陨石中发现了天然样本。

谢赫特曼最终于2011年因该发现获得诺贝尔化学奖，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——这种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，而准晶体恰恰缺乏这种特性。

"理解材料的第一步是明确其稳定机制，但准晶体的稳定成因始终难以判定，" 论文第一作者、密歇根大学材料科学与工程博士生白宇贤解释道。

任何材料的原子通常排列成晶体，使化学键达到最低能量状态。科学家称此类结构为焓稳定晶体。但其他材料因具有高熵而形成——即其原子存在多种排列或振动方式。

玻璃是熵稳定固体的典型代表。熔融二氧化硅快速冷却时，原子瞬间冻结形成无序结构。若降低冷却速率或在加热的二氧化硅中添加碱基，原子就会排列成石英晶体——室温下能量最低的稳定态。准晶体是介于玻璃与晶体之间的特殊存在：局部具有类似晶体的有序原子排列，但像玻璃一样缺乏长程周期性结构。

为判定准晶体属于焓稳定还是熵稳定，研究者开发的方法是从大型准晶模拟块中提取小型纳米颗粒。通过计算每个纳米颗粒的总能量（因颗粒边界明确无需无限序列），发现能量与颗粒体积和表面积相关。对递增尺寸的纳米颗粒重复计算后，研究者成功外推出大块准晶体的总能量。该方法证实两种深入研究的准晶体（钪锌合金与镱镉合金）均属焓稳定材料。

最精确的准晶体能量估算需要尽可能大的颗粒，但标准算法难以放大纳米颗粒尺寸。对于仅含数百个原子的颗粒，原子数翻倍将使计算时间增长八倍。研究团队同时突破了计算瓶颈。

"传统算法要求所有计算机处理器相互通信，而我们的算法效率提升百倍——仅需相邻处理器通信，并高效利用超级计算机的GPU加速，" 论文合著者、密歇根大学机械工程与材料科学教授维克拉姆·加维尼表示。

"现在我们可以模拟玻璃与非晶材料、不同晶体间的界面，以及可能实现量子计算比特的晶体缺陷。"

本研究由美国能源部资助，计算资源依托德克萨斯大学、劳伦斯伯克利国家实验室及橡树岭国家实验室提供。