科学家们近期在准晶体研究领域取得重大突破，破解了困扰学界40余年的多个核心科学问题。以下是关键进展：1. **天然准晶体的发现与稳定性机制阐明** 传统理论认为准晶体无法在自然条件下稳定存在，

这些发现源于首次对准晶体开展的量子力学模拟研究——准晶体是一种科学家曾认为不可能存在的固体类型。虽然准晶体的原子像晶体一样以晶格形式排列，但其原子排列模式与传统晶体不同，不会周期性重复。新的模拟方法表明，准晶体与晶体类似，本质上属于稳定材料，尽管其原子无序特征与玻璃等无序固体（通过快速加热和冷却形成）具有相似性。

"若想设计具备特定性能的材料，我们必须掌握原子定向排列的方法，"材料科学与工程系助理教授、本文通讯作者Wenhao Sun表示，"准晶体的存在迫使科学家重新思考材料形成的机制。在我们的研究之前，学界尚无法解释其存在原理。"

当以色列科学家Daniel Shechtman于1984年首次描述准晶体时，它们似乎违背了物理定律。在铝锰合金实验中，Shechtman发现某些金属原子呈现二十面体排列结构，犹如多个二十面骰子通过面接触连接。这种结构赋予材料五次对称性——从五个不同视角观察均呈现相同形态。

当时的科学家认为晶体内部原子只能在各个方向周期性排列，但五次对称性排斥了这种可能性。Shechtman提出这个"不可能"现象之初备受质疑，但后续实验室成功制备准晶体，并在十亿年历史的陨石中发现了天然准晶体。

尽管Shechtman最终因该发现获得2011年诺贝尔化学奖，科学家仍无法解答准晶体形成的根本机制。研究瓶颈在于密度泛函理论——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周期性。

"理解材料的第一步是明确其稳定机制，但准晶体的稳定性问题始终难以破解，"材料科学与工程博士生、研究第一作者Woohyeon Baek指出。

通常情况下，材料原子会通过化学键形成能量最低的晶体结构（即焓稳定晶体）。但某些材料（如玻璃）却因高熵效应形成——其原子存在多种排列方式或振动模式。

玻璃是典型的熵稳定固体，熔融二氧化硅快速冷却时原子"冻结"成无序形态。但若减慢冷却速度或添加基质，原子就能排列成石英晶体（室温下最稳定的低能量形态）。准晶体处于玻璃与晶体的中间状态：其局部原子有序排列类似晶体，但长程结构像玻璃一样缺乏周期性。

为判定准晶体的稳定机制（焓稳定或熵稳定），研究者开发了创新的纳米颗粒能量计算方法。该方法从大块准晶模拟结构中提取纳米颗粒，通过计算不同尺寸颗粒的总能量（无需无限周期边界条件），结合表面能与体积能的比例关系，外推出大块准晶的总能量。研究发现两种典型准晶体（钪锌合金和镱镉合金）均属于焓稳定材料。

精确能量估算需要大尺寸颗粒，但传统算法面临计算量指数级增长难题。研究团队突破性地开发了新型并行算法："传统算法要求所有计算核心通信，而我们的算法效率提升达百倍——仅需邻近核心通信，并充分利用超级计算机的GPU加速能力，"论文共同作者Vikram Gavini教授解释道，"该突破使玻璃/非晶材料、多晶界面以及量子计算位元相关的晶体缺陷模拟成为可能。"

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