長(zhǎng)期以來，物理學(xué)界對(duì)固體物質(zhì)的理解都相對(duì)簡(jiǎn)單：要么是像鉆石或鹽一樣，原子以周期性重復(fù)的完美規(guī)則排列，我們稱之為晶體；要么是像玻璃一樣，原子毫無規(guī)則地雜亂無章排列，我們稱之為非晶體。

但這兩種分類之外，還有一種“不守規(guī)矩”的物質(zhì)，讓科學(xué)家們困惑了整整40年，它就是準(zhǔn)晶體。最近，來自密歇根大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過首次進(jìn)行量子力學(xué)模擬，終于揭開了準(zhǔn)晶體存在的秘密，并結(jié)束了這場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的科學(xué)爭(zhēng)論。

什么是準(zhǔn)晶體？

你可以把晶體的原子排列想象成用正方形地磚鋪地板，圖案會(huì)不斷重復(fù)。晶體學(xué)有一個(gè)基本定律，決定了晶體只能有2、3、4或6重對(duì)稱性，因?yàn)橹挥羞@些形狀的圖案才能完美地重復(fù)排列，不留空隙。

然而，在1984年，以色列科學(xué)家丹·謝赫特曼（Daniel Shechtman）在研究鋁錳合金時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種擁有五重對(duì)稱性的物質(zhì)。這種對(duì)稱性就像用五邊形的地磚鋪地板，無論如何都無法完美拼接，總會(huì)留下空隙。這在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是“不可能”的，因?yàn)檫@違背了晶體學(xué)的基本定律。謝赫特曼因此備受嘲諷，甚至被逐出了自己的研究小組，直到2011年，他才因準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

準(zhǔn)晶體之所以特殊，就在于它既有序又不重復(fù)。它的原子排列雖然有長(zhǎng)程的規(guī)則性，但又不像傳統(tǒng)晶體那樣周期性重復(fù)。它就像是一種介于晶體和非晶體之間的“新物種”。

40年的謎團(tuán)終于解開

在過去的40年里，科學(xué)家們一直在爭(zhēng)論：準(zhǔn)晶體到底是真實(shí)存在的穩(wěn)定物質(zhì)，還是在快速冷卻過程中偶然形成的、不穩(wěn)定的“怪胎”？

傳統(tǒng)的物理模擬無法解釋這種復(fù)雜的非周期性結(jié)構(gòu)，但密歇根大學(xué)的團(tuán)隊(duì)通過最新的量子力學(xué)模擬技術(shù)，成功地“造”出了準(zhǔn)晶體。他們的模擬結(jié)果顯示，準(zhǔn)晶體并不是偶然現(xiàn)象，而是一種在能量上比其他結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的物質(zhì)。也就是說，在某些原子組合中，形成準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)是它們最“舒服”的狀態(tài)，就像水在零度以下會(huì)結(jié)成冰一樣。

這項(xiàng)突破性研究不僅證實(shí)了準(zhǔn)晶體的存在是符合物理規(guī)律的，更重要的是，它為我們提供了一個(gè)全新的工具，可以從量子層面理解和設(shè)計(jì)這些奇特的材料。

準(zhǔn)晶體有什么用？

準(zhǔn)晶體因?yàn)槠洫?dú)特的結(jié)構(gòu)，擁有許多非同尋常的特性：

• 硬度高且摩擦系數(shù)低： 這使得它們非常適合用作不粘鍋涂層、手術(shù)刀具和工業(yè)部件。
• 導(dǎo)熱和導(dǎo)電性差： 雖然它們由金屬組成，但其混亂的結(jié)構(gòu)反而讓電子和熱量難以流動(dòng)，使其成為優(yōu)秀的絕緣材料。

現(xiàn)在，隨著科學(xué)家們能夠系統(tǒng)性地模擬和理解準(zhǔn)晶體，我們未來將能更好地利用這些特性，開發(fā)出更多具有革命性的新材料，從更高效的太陽能電池到更先進(jìn)的光學(xué)設(shè)備，準(zhǔn)晶體正在打開一個(gè)全新的世界。