中國科大等在軟物質準晶研究中取得進展

　　中國科學技術大學物理學院教授徐寧研究組與復旦大學教授譚鵬合作，在非常簡單的軟物質模型體系中發現了準晶的存在，該發現為準晶理論的發展提出了新的具有挑戰性的問題，相關成果12月12日在線發表在《自然-通訊》上。

　　液體在緩慢降溫或加壓的情況下發生對稱性破缺形成有固定旋轉對稱性的固體。晶體由于結構空間周期性的要求，通常有2、3、4、6軸旋轉對稱性，其它對稱性的結構無法周期性地鋪滿整個空間。1982年，以色列科學家Shechtman等在鋁-錳合金中發現具有十軸對稱性的固體結構，違背了普通晶體允許的對稱性。他們經歷兩年檢驗后，于1984年將結果發表，從此開啟了準晶研究的序幕，Shechtman由于首次發現準晶而獲得2011年諾貝爾化學獎。根據定義，準晶是不具有平移對稱性和周期性，卻具有普通晶體所沒有的旋轉對稱性的有序固體。準晶最初都是在合金里被發現，直到2004年才在軟物質體系中被首次發現。軟物質體系（如膠體）在觀測和合成上的優勢引發了人們對軟物質準晶研究的興趣。

　　以往研究表明，對于可以形成準晶的粒子體系，粒子需要具有雙分散的粒徑尺度（如合金），結構各項異性（如四面體粒子或補丁粒子），或粒子間的相互作用經過修飾而具有明顯的多長度尺度來穩定準晶。因此，構建準晶的基本條件是體系中要引入兩個穩定準晶的特征長度尺度。至今還沒有人用各向同性、單一粒徑、相互作用不顯含多個長度尺度的粒子構建過準晶。此外，具有八軸對稱性的準晶較為罕見，在軟物質體系中尚沒有確定的關于八軸對稱性準晶的報道。

　　中國科大和復旦大學的合作團隊在各向同性、單一粒徑的高密度二維軟芯粒子體系中發現了八軸和十二軸對稱的準晶，粒子間的相互作用勢具有非常簡單的形式： ，其中 是相互作用的兩個粒子間距， 。這是一種純排斥的作用勢，當 時，該作用勢就是我們熟知的簡諧（線性彈簧）作用勢。從圖1a的插圖可見，該作用勢不顯含多個長度尺度，依照以往的認識，不會有人輕易相信這么簡單的體系能夠出現準晶。因此，在該體系中發現準晶是件令人驚奇的事情，它意味著需要進一步發展理論來拓展準晶出現的條件。另一個令人興奮的發現是，這么簡單的體系首次在非合金的軟物質體系中展示了確定的八軸對稱準晶存在的證據。

　　在如此簡單的體系中形成準晶的一個必要條件是高密度（）。如圖1a所示，隨著密度的增大，該體系會呈現出非常豐富的固相結構，而準晶會在特定的密度區間（）出現。有趣的是，在高密度準晶區間，粒子傾向于形成五邊形團簇，由這些五邊形團簇為結構單元進一步發展出準晶的結構序。如圖1b和c所示，如果將不共邊的五邊形團簇中心相連，整個八軸和十二軸對稱的準晶將構建出漂亮的正方形-菱形和正方形-三角形拼圖。此外，對于八軸或十二軸對稱的準晶，每個五邊形都被八或十二個粒子環繞，這種復雜結構的出現提供了進一步設計構建軸對稱準晶的可能方案。

　　研究工作得到了國家自然科學基金委和中國科大創新團隊培育基金的支持。