世界上最復雜的晶體結構已模擬成功

圖片說明：美國密歇根的工程研究人員日前模擬出了迄今為止最復雜的晶體結構——二十面體准晶。圖片來源：Michael Engel

 

日前，美國密歇根大學（University of Michigan）的研究人員使用計算機模擬得到了迄今為止最復雜的晶體結構，他們聲稱此項工作將有助於揭示如何使用簡單的規律得到復雜結構。

 

從表面上來看，他們所模擬得到的「二十面體准晶」（icosahedral quasicrystal）是有序的，但不是重復的結構。同時，它在旋轉時是對稱的，就像一個由五邊形或者六邊形碎片構成的足球。

 

這一性質，也稱之為二十面體對稱，在小尺寸圍繞單點結構中很常見。它存在於病毒外殼或巴基球（即由60個碳原子組成的分子）中，但並不存在於傳統晶體中。本研究的第一作者、密歇根大學化學工程系的研究人員Michael Engel說：「就像用五邊形的磚來鋪浴室門一樣，二十面體不能很好地填滿空間。」
 

Engel說：「本質上，二十面體准晶在大部分空間是二十面體對稱的，這也是放棄周期性（即重復性）的唯一可能方法。它是一個高度復雜的結構。」

 

在金屬合金中可以發現二十面體准晶結構，首位發現此結構的化學家在30年前被授予了諾貝爾化學獎，但是研究人員一直努力試圖在其他材料中發現它。因為其在旋轉時的高度對稱性，它還有一個性質，即「光子帶隙」。當兩個粒子之間的空隙與光之間的距離相當時，光子帶隙即產生。以此種方式排列的粒子可以捕捉及追蹤來自各個方向的光。

 

密歇根大學化學工程教授Sharon Glotzer說：「如果可以使用納米尺寸或微米尺寸的粒子來組裝得到此二十面體准晶，它們將在很多領域有著廣泛應用，諸如通訊和顯示技術，甚至是偽裝手段。」

 

盡管這些應用前景看上去十分誘人，但這也只是猜測。研究人員還補充道，本項研究最大的發現是二十面體准晶的形成方式。

 

Glotzer說：「當研究人員在實驗室中研究准晶時，他們往往缺少直觀的原子位置資料。他們通過觀測材料如何反射光來獲取位置信息，還沒有人使用計算機模型獲取到關於二十面體對稱和自組裝熱動力學相關的信息。在過去的幾十年內，研究人員也一直在努力。」

 

這一模擬使得研究人員首次觀測到二十面體對稱性的發展過程。

 

密歇根大學的模擬工作僅使用了一種獨特粒子，而通常情況下，我們需要兩到三個原子元素來獲得更具代表性的准晶結構。

 

即使最終產物是長程有序的，其中的粒子也僅與其周圍至多3個粒子發生相互作用。研究人員通過進一步研究發現，黃金比例主導了此項相互作用。黃金比例，即1.61，是一個最先由古希臘學者發現的，在數學和藝術領域都非常重要的數字。它與斐波那契數列（Fibonacci Sequence）有關，它是一個由0和1開始的數列，每下一個數字是上兩個數字之和，即0,1,1,2,3,5,8,13…..。例如，它廣泛存在於在鮮花的花瓣中，松樹的種子，樹枝的分叉和鸚鵡螺的螺旋中。

 

「這一發現有助於我們解決自然界中一個非常重要的基本問題，即從局部信息怎樣獲得復雜的原子和分子構造信息？這是使用簡單規律去豐富結構信息的一個很好例子。」