科学家破解准晶体40年之谜

这些发现源自对准晶体的首次量子力学模拟——准晶体是一种科学家曾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，本质上是稳定材料，尽管它们类似于玻璃等无序固体——这类固体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、今日发表于《自然·物理学》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。"

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定律。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，如同多个二十面骰子通过面连接而成。这种结构赋予材料五重对称性——从五个不同视角观察具有完全相同的形态。

当时的科学家认为晶体内的原子只能沿每个方向周期性重复排列，但五重对称性排除了这种可能性。谢赫特曼最初因提出这一"不可能"设想而备受质疑，但其他实验室后来成功制备出准晶体，并在十亿年前的陨石中发现了它们。

谢赫特曼最终因该发现获得2011年诺贝尔化学奖，但科学家仍无法解答准晶体形成的基本机制。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——依赖于无限周期性重复的排列模式，而这正是准晶体所缺失的。

"理解材料的第一步是确定其稳定性来源，但一直难以判断准晶体的稳定机制，"论文第一作者、密歇根大学材料科学与工程博士生裴宇贤（音译）解释道。

任何材料中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。但另一些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，原子瞬间冻结成无规则形态。若降低冷却速率或在加热的二氧化硅中添加基质，原子就能排列成石英晶体——室温下能量最低的稳定态。准晶体是介于玻璃和晶体之间的奇特存在：它们具有类似晶体的局部有序原子排列，却又像玻璃那样不形成长程周期性结构。

为判定准晶体属于焓稳定还是熵稳定，研究团队开发的方法从大型准晶体模拟块中提取较小纳米颗粒。通过计算每个纳米颗粒的总能量（颗粒具有明确边界，无需无限序列），发现能量值与颗粒体积和表面积相关。

通过增加纳米颗粒尺寸的重复计算，研究人员得以外推大块准晶体的总能量。该方法揭示两种研究较深入的准晶体（钪锌合金与镱镉合金）均属焓稳定。

最精确的准晶体能量估算需要最大可能的粒子，但标准算法难以扩展纳米颗粒尺寸。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加八倍。研究团队也攻克了这个计算瓶颈。

"传统算法要求每个计算机处理器相互通信，而我们的算法速度提升高达100倍——仅需相邻处理器通讯，并充分利用超级计算机的GPU加速能力，"共同作者、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位的晶体缺陷。"

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