如何用“简单”规则搭建“复杂”的微观结构？复旦团队顶刊发文

如何用最“简单”的规则，搭建出最“复杂”的微观结构？这是材料科学领域的一个核心挑战。

北京时间4月1日晚，复旦大学物理学系、应用表面物理全国重点实验室谭鹏教授与合作者在《自然》（Nature）联合发表研究成果，提出一种全新的“对偶对称性引导（Dual-symmetry-guided，DSG）”设计范式。这一发现打破了“复杂材料组装必须依赖复杂基元”的传统认知，为利用多种物理和化学技术手段制备光子晶体、超导材料等复杂对称性材料与器件提供了新的思路。

过去，想要造出结构复杂的材料，科学家往往需要设计同样复杂的“零件”，比如形状奇特的颗粒或高度定向的化学键，这种做法不仅实验条件苛刻，还容易让粒子“卡”在错误的位置，很难形成完美的大面积结构。

复旦团队换了个思路，他们从几何对称性中找到灵感，提出一种“化繁为简”的“对偶对称性引导”的新方法。简单来说，很多复杂晶格天然可以分成两组互相对应的子结构，就像一对“双胞胎”，只要掌握其中一组，另一组就可以通过数学变换推导出来。

DSG策略以及在二维胶体实验和分子动力学模拟中的实现。图片展示了9种阿基米德晶格和三种准晶格，其结构由3，4，6，8，10，12旋转对称单元按特定顺序组装而成，表现出复杂精巧的全局对称性和多尺度结构特性。 “复旦大学”微信公众号 图

这项突破背后是长达六年的摸索。初期，团队沿用传统的模板方法，但粒子经常卡住、结构不完整。后来他们尝试减少固定点，观察哪些点可以移除而不影响最终结果。“我们发现，在许多复杂晶格中，存在一种内在的‘对偶性’，这些结构可以分解为两组互相对应的子结构，掌握其中一组就足以还原整体。”谭鹏介绍。

实验中，团队只需要稀疏地固定其中一组子晶格，剩下的自由颗粒就能在简单的相互作用下，自发填补到对应位置，最终拼出完整的复杂结构。

“这让我们从被动的‘试错’，转向了主动的‘设计’。”论文共同第一作者、博士生孙雯思打了个比方，“我们不需要控制全部信息，只需精确‘引导’一半，另一半可通过系统动力学自发完成。这大幅降低了复杂结构自组装的难度和成本。”

这种策略不仅设计上化繁为简，在动态演化中也更有优势。通过减少锚定点，自由颗粒有了更多的“自由空间”。数值模拟证明，即使锚定条件很强，系统依然能完成高质量的自组装。

谭鹏课题组合影

这项研究被《自然》审稿人评价为“优雅的工作”，即用极简的物理原理，驾驭了极复杂的结构生成。这种“优雅”离不开多学科交叉：几何对偶性来自数学，实验中的胶体体系涉及化学，而物理学的洞察把这一切串联起来。团队认为，这套新范式不依赖特定材料体系，从软物质胶体到纳米光子晶格都能适用，甚至有望从二维推广到三维。

目前，团队正尝试用AI自动筛选最优结构，进一步提升设计效率。他们希望将对偶对称性策略推广到更多复杂材料中。“这为复杂晶格材料的制备提供了一种全新的设计思路。”孙雯思说，“在二维材料、胶体体系、原子分子体系等领域，都有广泛的应用前景。”