物理学家发现能自旋、扭曲并自我修复的晶体

物理学家近日发现了一类前所未有的晶体：它们不是由静止的原子构成，而是由持续旋转的“转子”组成。与传统固体不同，这种晶体在受力时会发生扭转而非拉伸，甚至可以自行碎裂成多个旋转小块，再重新聚合、恢复整体结构，展现出完全不同于常规材料的奇异行为。

这一研究由德国亚琛、杜塞尔多夫、美因茨以及美国韦恩州立大学的科研团队合作完成，并发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。研究显示，这些“旋转晶体”极易分裂成多个独立片段，内部会形成不寻常的界面与缺陷结构，而这些缺陷可被外界有意操控，为材料性能调控和新型器件设计带来潜在可能。

研究聚焦于一类被称为“横向相互作用”（transverse interaction）的力。与人们熟悉的万有引力或库仑力等“中心力”不同，“横向力”作用方向并不在两物体连线上，而是垂直于连线，从而驱动物体自发绕行、旋转。 科学家指出，这种相互作用不仅存在于实验室人工材料中，在生物系统中也可观察到。此前一项实验表明，当大量海星胚胎在水中游动时，它们会通过彼此的运动相互影响，最终呈现绕圈运动的集体行为，其背后同样体现了旋转个体之间的横向相互作用。

杜塞尔多夫海因里希·海涅大学理论物理二所的哈特穆特·勒文（Hartmut Löwen）教授解释说，当许多旋转单元处于高密度状态时，会表现出一种“质变”的集体行为：它们凝聚成类似固体的整体，但却拥有“奇异”的材料属性。这其中最引人注目的是所谓“奇异弹性”（odd elasticity）：在普通材料中，拉伸会沿着受力方向产生形变，而在这种“奇异弹性”材料中，拉伸并不会导致通常意义上的伸长，而是引发整体的扭转。

更为反常的是，这类扭转固体在没有外部扰动的情况下，也可能因为内部旋转单元间的摩擦而自发破碎成许多更小的旋转碎片。随后，这些碎片又能逐渐靠拢、重新拼合，恢复为具有晶体结构的整体。为理解这一过程，美国韦恩州立大学物理与天文学系黄志峰（Zhi-Feng Huang）教授团队与勒文教授合作，建立了一套贯穿不同长度尺度的理论框架，并借助计算机模型对这些材料的宏观行为进行了模拟预测。

研究发现，在横向相互作用占主导的大尺寸晶体中，整体结构倾向于分解为多个较小的旋转单元；相反，小晶体则会生长到某一特定的临界尺度后趋于稳定。这一模式与经典晶体生长图景大相径庭——在传统理解中，只要热力学条件有利，晶体通常会不断长大，而不会自发分裂成更小的块体。 黄志峰指出，团队揭示了决定临界碎片尺寸与旋转速度之间关系的一条“自然基本规律”，为理解和设计此类自旋晶体提供了关键理论基础。

除了整体碎裂与重组，这些晶体内部的缺陷也呈现出独特的动力学特征。来自DWI–莱布尼茨交互材料研究所与亚琛工业大学的拉斐尔·维特科夫斯基（Raphael Wittkowski）教授介绍，研究表明晶体中的缺陷并非静止不动，而是可以发生自发迁移，其生成与演化过程还可以通过外界手段加以控制。这意味着，人们有望通过操控缺陷的产生与运动，定向设计晶体的力学与功能特性。

论文合著者、美因茨大学副教授迈克尔·特·弗鲁格特（Michael te Vrugt）强调，这一理论框架的适用性远超单一材料体系：凡是存在类似横向相互作用的系统，都有可能被纳入这一统一描述之中，潜在应用领域从胶体研究一直延伸到生物系统。勒文则进一步指出，模型计算已经展示出具体的技术潜力，例如利用这些新晶体的“奇异弹性”开发全新的机械或功能开关元件。

在物理学传统体系中，万有引力或电荷之间的库仑力属于典型的“中心力”，它们沿物体中心连线方向作用，驱动物体相互靠近或远离。相比之下，“横向相互作用”是一种较新被系统研究的相互作用形式，其作用方向垂直于两物体连线，使得它们自发围绕彼此旋转，从而构成新型自旋晶体的动态基础。 此次工作所依托的核心成果，是发表于2025年10月17日、题为《奇异晶体的异常晶粒动力学与晶粒运动》（Anomalous grain dynamics and grain locomotion of odd crystals）的PNAS论文，标志着人们在理解“旋转而非静止”的固体形态方面迈出重要一步。

编译自/ScitechDaily