科学家解开准晶体40年未解之谜

这些发现来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。虽然准晶体中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——如同晶体一样——本质上是稳定的材料，尽管它们与无序固体（如玻璃）相似，后者是通过快速加热和冷却形成的。

"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，"陶氏早期职业教授、材料科学与工程助理教授孙文昊（音译）表示，他也是今天发表在《自然·物理》上论文的通讯作者。"准晶体迫使我们重新思考某些材料如何以及为何能够形成。在我们的研究之前，科学家们一直不清楚它们存在的原因。"

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。在实验铝锰合金时，谢赫特曼意识到部分金属原子排列成二十面体结构，类似于多个20面骰子在其面上连接而成。这种形状赋予材料五次对称性——从五个不同视角看完全相同。

当时科学家认为晶体内的原子只能以每个方向重复序列的方式排列，但五次对称性排除了这种可能性。谢赫特曼最初因提出这一"不可能"现象而备受质疑，但其他实验室后来成功制造出准晶体，并在拥有十亿年历史的陨石中发现了它们。

谢赫特曼最终因其发现获得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问题。障碍在于密度泛函理论——计算晶体稳定性的量子力学方法——依赖于无限重复的序列模式，而这正是准晶体所缺乏的。

"理解一种材料的第一步是了解其稳定的原因，但一直难以判断准晶体如何保持稳定，"该研究第一作者、密歇根大学材料科学与工程博士生Baek Woohyeon（音译）解释道。

任何给定材料中的原子通常会排列成晶体，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。但其他材料的形成则源于其高熵特性，即其原子存在大量不同的排列或振动方式。

玻璃是熵稳定固体的典型实例。当熔融二氧化硅快速冷却时，原子会瞬间冻结成无规则形态。但如果冷却速率减缓，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——室温下能量最低的理想状态。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，但又像玻璃一样不形成长程重复模式。

为确定准晶体是焓稳定还是熵稳定，研究团队的方法是从更大的模拟准晶体块中提取较小的纳米颗粒。研究人员随后计算每个纳米颗粒的总能量——由于颗粒具有明确边界，该方法无需无限序列。

由于纳米颗粒的能量与其体积和表面积相关，研究人员通过增大纳米颗粒尺寸重复计算，从而推算出更大准晶体块的总能量。运用此方法，他们发现两种被深入研究的准晶体属于焓稳定：一种是钪锌合金，另一种是镱镉合金。

最精确的准晶体能量估算需要尽可能大的颗粒，但用标准算法放大纳米颗粒极其困难。对于仅含数百个原子的纳米颗粒，原子数翻倍会使计算时间增长八倍。不过研究人员也找到了突破计算瓶颈的方案。

"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，因为只有相邻处理器需要通信，并且我们高效利用了超级计算机的GPU加速，"研究合著者、密歇根大学机械工程与材料科学教授Vikram Gavini解释道。

"我们现在能够模拟玻璃和非晶材料、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。"

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