准晶体是一种原子排列呈现非重复、准周期性图案的奇特材料。近期的研究揭示了其形成的关键秘密，包括证明了至少部分准晶体在热力学上是稳定的，这解释了它们为何能够存在。同时，新的工程方法使得实时观察其形成过程成为可能，研究人员还发现了如反铁磁性等前所未知的特性。这些进展共同为准晶体未来的大规模应用铺平了道路。
“禁忌”的对称性与发现之旅
自1982年被发现以来，准晶体就一直困扰着物理学家和化学家。它们的原子以五边形、十边形等形状排列，构成一种永不完全重复的图案，这似乎违背了物理学定律和直觉。
“作为一名材料科学家，当你第一次了解准晶体时，你的反应会是‘这太疯狂了’。” — 温皓日 (Wenhao Sun)，密歇根大学材料科学家
早在准晶体被实验发现之前，数学物理学家罗杰·彭罗斯就构想出了这种“准周期性”图案。
- 彭罗斯铺砖 (Penrose Tilings): 他设计的瓷砖组合可以无缝铺满无限平面，但图案永远不会重复。
- “禁忌”的对称性: 传统的晶体不具备五重对称性，因为五边形无法紧密地铺满一个平面。而彭罗斯铺砖恰恰展示了这种“禁忌”的对称性。
1982年，以色列物理学家丹·谢赫特曼在实验室合成的金属合金中发现了具有五重对称性的准周期原子结构，证实了彭罗斯的数学构想可以在现实世界中存在。这一发现最终为他赢得了2011年的诺贝尔化学奖。
理解与应用的挑战
尽管准晶体在物理学上引人入胜，但其实际应用却寥寥无几。它们处于一个中间地带：
- 有序性不如晶体。
- 结构性又强于玻璃。
- 延展性低于其构成的金属。
其不断变化的结构使得精确描述其性质变得异常困难。尽管如此，一些潜在应用已被确定：
- 涂层: 由于导热和导电性差、耐用且不易发生化学反应，可用于不粘锅涂层。
- 强化材料: 用于加固医疗设备和剃须刀中的钢材。
- 防伪标签: 利用其独特的图案制作原子级的艺术品防伪标签。
然而，对准晶体形成机制的理解不足，始终是阻碍其大规模应用的主要障碍。一个核心问题是：在没有直接相互作用的情况下，远处的原子是如何“知道”如何排列成复杂的非重复结构的？
揭开稳定性之谜：一项计算突破
为了解答这个问题，温皓日及其同事采用了一种名为密度泛函理论 (DFT) 的技术。DFT通过测量材料中电子的状态来预测其硬度和稳定性等属性。
传统上，DFT很难应用于准晶体，因为其非重复结构意味着不能像普通晶体那样用一个小的“晶胞”来代表整体。研究团队通过一种名为“纳米取样 (nanoscooping)”的方法克服了这一难题，他们对准晶体中随机选择的不同大小的原子簇进行计算。
这项研究的结论是颠覆性的：
“我们在论文中证明，准晶体实际上是稳定的，我认为这会让很多人感到惊讶。”
研究表明，准晶体倾向于形成一种能量较低的稳定构型。这意味着它们的形成并非偶然，而是遵循着能量最小化的自然趋势。卡内基梅隆大学的物理学家迈克尔·威多姆认为，这一稳定性结果有助于回答一个根本问题：“如果你面对某种存在的事物，你会想知道，‘它为什么存在？’”
新的构建方法：实时观察准-晶体形成
另一项研究则开发出一种全新的、相对简单的准晶体制造方法。科罗拉多矿业学院的布伦南·斯普林克尔和他的合作者使用了一种名为 Dynabeads 的市售微米级颗粒。
- 尺寸优势: Dynabeads比原子大一万倍，更容易被控制和观察。
- 实时构建: 利用磁场和电场，研究人员成功诱导这些颗粒从一个成核点开始，“像三维雪花一样”生长成准周期结构。
这一进展为实时研究准晶体的形成过程提供了第一个光学尺度的系统，是一个创造性的巨大进步。
持续的探索与未来展望
随着研究的深入，准晶体更多意想不到的特性正在被揭示。一个日本研究团队最近首次在准晶体中观察到了反铁磁性——一种此前被认为过于规整而无法存在于非重复结构中的现象。
这些在合成与表征方面的进步，使得人们可以开始认真考虑准晶体的实际应用，也激发了整个研究界的巨大热情。
温皓日总结道：“它们就像材料界的鸭嘴兽。它们既有晶体的特征，也有非晶材料的特征。鸭嘴兽是比其他动物更好的动物吗？不一定，但这种会下蛋的哺乳动物本身就极其迷人。”