准晶体：物质介于晶体和玻璃之间的奇特状态

几十年来，准晶体——一种模糊了晶体与玻璃界限的奇特固体一直困扰着科学家们。与普通晶体不同，准晶体的原子排列从不重复，但却保持着高度有序。如今，研究人员首次利用量子力学模拟技术，揭示了这些材料存在的原因：它们本质上是稳定的，而非短暂的快速冷却。这一突破解开了40年前的科学谜团，并为开发具有独特、突破常规特性的工程材料打开了大门。

准晶体：介于晶体和玻璃之间的奇特状态

密歇根大学的研究表明，介于晶体和玻璃之间的一种奇特而罕见的物质形式实际上可能是某些原子组合中最稳定的结构。

这一结论源于对准晶体进行的首次量子力学模拟，准晶体是一种曾被认为不可能存在的固体。与晶体类似，准晶体的原子也排列在晶格中，但它们的模式永远不会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，本质上是稳定的，尽管它们与玻璃等无序材料有相似之处，而后者通常是在熔融物质冷却过快时形成的。

钪锌准晶体的单个晶粒具有12个五边形晶面。图片来源：Yamada等人（2016）。IUCrJ

准晶体为何会存在？

“如果我们想要设计出具有所需特性的材料，我们需要知道如何将原子排列成特定的结构，”陶氏材料科学与工程系早期职业助理教授、今日发表在《自然物理》杂志上的论文的通讯作者孙文浩说道。“准晶体迫使我们重新思考某些材料是如何以及为何形成的。在我们进行研究之前，科学家们并不清楚它们为何存在。”

1984年，以色列研究员丹尼尔·谢赫特曼（Daniel Shechtman）在研究铝和锰合金时观察到了准晶体，这一发现首次震惊了科学界。他发现，一些原子形成了一种二十面体结构，类似于一簇面相连的20面骰子。这种结构赋予准晶体五重对称性——这意味着它从五个不同的角度看起来完全相同——这曾被认为在固体物质中是不可能的。

为了计算原子不按序列重复的固体的稳定性，研究人员模拟了从较大块体中随机取样的准晶体勺子。由于粒子具有明确的边界，因此可以使用量子力学计算每个纳米粒子内的能量。通过在一系列勺子尺寸上重复计算，研究人员可以将能量计算结果外推到块体准晶体。图片来源：Woohyeon Baek，密歇根大学太阳研究小组

从争议到诺贝尔奖

当时的科学家认为，晶体中的原子只能以在每个方向上重复的序列排列，但五重对称性排除了这种模式。谢赫特曼最初因提出这种不可能的假设而面临严格的审查，但后来其他实验室也合成了准晶体，并在数十亿年前的陨石中发现了它们。

谢赫特曼最终凭借这一发现获得了2011年诺贝尔化学奖，但科学家们仍然无法解答准晶体形成的基本问题。障碍在于，密度泛函理论（用于计算晶体稳定性的量子力学方法）依赖于序列中无限重复的模式，而准晶体缺乏这种模式。

“了解一种材料的第一步是知道是什么让它稳定，但很难说出准晶体是如何稳定的，”密歇根大学材料科学与工程博士生、该研究的第一作者 Woohyeon Baek 说。

任何给定材料中的原子通常排列成晶体，以使化学键获得尽可能低的能量。科学家将这种结构称为焓稳定晶体。但其他材料的形成是因为它们具有高熵，这意味着其原子有许多不同的排列或振动方式。

密歇根大学研究团队。每位研究人员都手持一个无法融入传统晶体的几何模型。照片中从左至右依次为：机械工程与材料科学与工程教授 Vikram Gavini；机械工程助理研究员 Sambit Das；材料科学与工程博士生 Woohyeon Baek；陶氏材料科学与工程早期职业助理教授 Wenhao Sun；以及材料科学与工程博士生 Shibo Tan。图片来源：密歇根工程学院 Marcin Szczepanski

准晶体：无重复的秩序

玻璃是熵稳定固体的一个例子。它形成于熔融的二氧化硅快速冷却，原子瞬间冻结成无图案的形式。但如果冷却速度减慢，或在加热的二氧化硅中添加碱，原子就会排列成石英晶体——室温下最佳的、能量最低的状态。准晶体是介于玻璃和晶体之间的一种令人费解的中间体。它们具有像晶体一样局部有序的原子排列，但与玻璃一样，它们不会形成长程重复的图案。

为了确定准晶体是否具有焓稳定或熵稳定特性，研究人员的方法是从较大的模拟准晶体块中挖出较小的纳米颗粒。然后，研究人员计算每个纳米颗粒的总能量。由于粒子具有明确的边界，因此这不需要无限序列。

揭示准晶体的秘密能量

由于纳米颗粒中的能量与其体积和表面积有关，通过对尺寸不断增大的纳米颗粒进行重复计算，研究人员可以推断出更大块准晶体内的总能量。通过这种方法，研究人员发现两种已得到充分研究的准晶体具有焓稳定特性。一种是钪锌合金，另一种是镱镉合金。

要最准确地估算准晶体的能量，需要尽可能大的粒子，但用标准算法很难将纳米粒子放大。对于只有数百个原子的纳米粒子，原子数量翻倍会使计算时间增加八倍。但研究人员也找到了解决计算瓶颈的方法。

加速材料研究的未来

“在传统算法中，每个计算机处理器都需要相互通信，但我们的算法速度提高了 100 倍，因为只有相邻的处理器进行通信，并且我们在超级计算机中有效地利用了 GPU 加速，”该研究的共同作者、密歇根大学机械工程和材料科学与工程教授 Vikram Gavini 说。

“我们现在可以模拟玻璃和非晶材料、不同晶体之间的界面以及可以实现量子计算位的晶体缺陷。”

编译自/scitechdaily