科学家刚破解准晶体40年之久的谜团

这些发现源自对准晶——一种科学家曾认为不可能存在的固体——的首批量子力学模拟。准晶中的原子像晶体一样呈晶格排列，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——玻璃是因快速加热和冷却而形成的。

"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、今日发表于《自然·物理学》期刊论文的通讯作者孙文豪（音译）表示。"准晶迫使我们重新思考某些材料形成的方式和原因。在我们的研究之前，科学家们一直不清楚它们为何存在。"

以色列科学家丹尼尔·谢赫特曼于1984年首次描述准晶时，它们似乎违背了物理定律。在实验铝锰合金时，谢赫特曼发现某些金属原子呈二十面体结构排列，如同许多二十面骰子通过面连接而成。这种形状赋予该材料五次对称性——从五个不同视角观察完全一致。

当时的科学家认为晶体内的原子只能按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种不可能现象而面临激烈质疑，但其他实验室后来成功制备出准晶，并在十亿年前的陨石中发现了它们。

谢赫特曼最终因该发现于2011年获得诺贝尔化学奖，但科学家们仍无法回答准晶如何形成的基本问题。障碍在于密度泛函理论——这种量子力学方法用于计算晶体稳定性——依赖于无限重复序列的排列模式，而准晶恰恰缺乏这种模式。

"理解一种材料的第一步是弄清其稳定性的来源，但一直难以判断准晶如何获得稳定性，"密歇根大学材料科学与工程博士生、本研究第一作者白宇贤（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。但其他材料的形成则因其具有高熵，意味着其原子排列或振动方式存在多种可能性。

玻璃是熵稳定固体的一个例子。它在熔融二氧化硅快速冷却时形成，将原子"快速冻结"成无规则的形态。但如果冷却速率减缓，或向加热的二氧化硅中添加碱基，原子就能排列成石英晶体——室温下能量最低的优选状态。准晶是介于玻璃与晶体之间的谜样存在：它们具有晶体般的局部有序原子排列，但又如玻璃般无法形成长程重复模式。

为确定准晶是焓稳定还是熵稳定，研究者的方法从较大的模拟准晶块中提取较小的纳米颗粒。随后计算每个纳米颗粒的总能量——由于颗粒有明确边界，故无需无限序列。

鉴于纳米颗粒的能量与其体积和表面积相关，通过计算逐渐增大的纳米颗粒能量，研究者可推算出较大准晶块内部的总能量。利用此法，研究者发现两种被深入研究的准晶均为焓稳定：一种是钪锌合金，另一种是镱镉合金。

最精确的准晶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。对于仅含数百原子的纳米颗粒，原子数翻倍会使计算时间增至八倍。但研究者也找到了突破计算瓶颈的方案。

"传统算法中每个计算机处理器都需相互通信，而我们的算法提速高达100倍，因为仅相邻处理器需要通信，且我们在超级计算机中高效利用了GPU加速技术，"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。

"如今我们可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位的晶体缺陷。"

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