科学家刚刚破解准晶体领域长达40年的谜题

这些发现源于对准晶体的首次量子力学模拟——科学家曾认为这类固体不可能存在。尽管准晶体的原子像晶体一样呈晶格排列，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，准晶体与晶体一样具有本质稳定性，尽管它们与玻璃等无序固体相似（后者由急速加热冷却形成）。

"若要设计具备特定性能的材料，我们必须掌握将原子排列成特定结构的原理，"材料科学与工程系道化学早期职业助理教授、今日发表于《自然·物理学》论文的通讯作者孙文昊（音）表示。"准晶体迫使我们重新思考某些材料形成的方式与原因。在本次研究之前，其存在机制对科学界而言始终成谜。"

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呈现二十面体结构——如同多个二十面骰子沿面连接。这种结构使材料具有五次对称性，即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沿各方向周期性排列，但五次对称性无法形成此类排列模式。谢赫特曼最初因提出这一"不可能"理论而饱受质疑，但后续其他实验室成功制备出准晶体，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础问题。研究瓶颈在于：计算晶体稳定性的量子力学方法——密度泛函理论——依赖于无限周期性重复的排列模式，而准晶体恰恰缺乏这种特性。

"理解材料的首要关键是明确其稳定性来源，但判定准晶体稳定机制始终是重大挑战，"论文第一作者、密歇根大学材料科学与工程博士生白宇贤（音）解释道。

任何材料中的原子通常排列成晶体结构，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。但另有些材料因高熵值形成，即其原子排列或振动存在多种可能方式。

玻璃是熵稳定固体的典型代表。熔融二氧化硅急速冷却时，原子瞬间冻结成无序形态。但若减缓冷却速率或在加热的二氧化硅中添加基底，原子就能排列成石英晶体——室温下能量最低的稳定态。准晶体作为玻璃与晶体间的特殊存在，既具备晶体局域有序的原子排列，又像玻璃般缺乏长程周期性结构。

为判断准晶体属于焓稳定还是熵稳定，研究者开发的新方法从大型准晶体模拟块中分离出较小纳米粒子。通过计算每个纳米粒子的总能量（纳米粒子具有明确边界故无需无限序列），发现粒子能量与其体积和表面积相关。对递增尺寸粒子的重复计算，可推算出大块准晶体的总能量。

运用此方法，研究者证实两种被深入研究的准晶体属于焓稳定：其一是钪锌合金，其二是镱镉合金。最精确的准晶体能量估算需最大尺寸粒子，但标准算法难以实现纳米粒子升级——当粒子仅含数百原子时，原子数量倍增将使计算时间增长八倍。研究者同时突破了该计算瓶颈。

"传统算法要求所有计算机处理器相互通信，而我们的新算法效率提升百倍，因仅需相邻处理器通信，并高效利用超级计算机的图形处理器加速技术，"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·加维尼指出。

"该方法现已能模拟玻璃与非晶材料、异质晶体界面，以及可构建量子计算比特的晶体缺陷。"

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