中科大在软物质准晶研究中取得重要进展 [2017-12-20]

　我校物理学院徐宁教授研究组与复旦大学谭鹏教授合作，在非常简单的软物质模型体系中发现了准晶的存在，该发现为准晶理论的发展提出了新的具有挑战性的问题，相关成果2017年12月12日在线发表于《自然通讯》（Nature Communications）。

　　图1： a 具有U(r)=(1-r)^α/α形式的纯排斥相互作用（具体函数形式见插图，σ取为1）的二维软芯体系的固体结构作用势指数α-密度ρ相图。b-c 八轴（OQC）和十二轴（DDQC）对称准晶的结构图和基于五边形粒子团簇的多边形拼图。插图是衍射斑图，图中粒子的直径是作用势范围σ的20%。

　　液体在缓慢降温或加压的情况下发生对称性破缺形成有固定旋转对称性的固体。晶体由于结构空间周期性的要求，通常有2、3、4、6轴旋转对称性，其它对称性的结构无法周期性地铺满整个空间。1982年，以色列科学家Shechtman等人在铝-锰合金中发现了具有十轴对称性的固体结构，违背了普通晶体允许的对称性。他们在经历了两年的检验后，才于1984年将结果发表，从此开启了准晶研究的序幕，Shechtman也由于首次发现准晶而获得2011年诺贝尔化学奖。根据定义，准晶是不具有平移对称性和周期性，但却具有普通晶体所没有的旋转对称性的有序固体。准晶最初都是在合金里被发现，直到2004年才在软物质体系中被首次发现。软物质体系（如胶体）在观测和合成上的优势引发了人们对软物质准晶研究的极大兴趣。

　　以往的研究表明，对于可以形成准晶的粒子体系，粒子需要具有双分散的粒径尺度（如合金），结构各项异性（如四面体粒子或补丁粒子），或者粒子间的相互作用经过修饰而具有明显的多长度尺度来稳定准晶。因此，构建准晶的基本条件是体系中要引入两个稳定准晶的特征长度尺度。至今还没有人用各向同性、单一粒径、相互作用不显含多个长度尺度的粒子构建过准晶。此外，具有八轴对称性的准晶较为罕见，在软物质体系中尚没有确定的关于八轴对称性准晶的报道。

　　中科大和复旦大学的合作团队在各向同性、单一粒径的高密度二维软芯粒子体系中发现了八轴和十二轴对称的准晶，粒子间的相互作用势具有非常简单的形式：U(r)=(1-r/σ)^α/α ，其中r∈[0,σ]是相互作用的两个粒子间距，σ是作用势范围，α是决定作用势软硬的可调节参数。这是一种纯排斥的作用势，当α=2时，该作用势就是我们熟知的简谐（线性弹簧）作用势。从图1a的插图可见，该作用势不显含多个长度尺度，依照以往的认识，不会有人轻易相信这么简单的体系能够出现准晶。因此，在该体系中发现准晶是件令人惊奇的事情，它意味着我们需要进一步发展理论来拓展准晶出现的条件。另一个令人兴奋的发现是这么简单的体系首次在非合金的软物质体系中展示了确定的八轴对称准晶存在的证据。

　　在如此简单的体系中形成准晶的一个必要条件是高密度（把σ视为有效粒子直径来计算密度）。如图1a所示，随着密度的增大，该体系会呈现出非常丰富的固相结构，而准晶会在特定的密度区间（依赖于α）出现。有趣的是，在高密度准晶区间，粒子倾向于形成五边形团簇，由这些五边形团簇为结构单元进一步发展出准晶的结构序。如图1b和c所示，如果将不共边的五边形团簇中心相连，整个八轴和十二轴对称的准晶将构建出漂亮的正方形-菱形和正方形-三角形拼图。此外，对于八轴或十二轴对称的准晶，每个五边形都被八或十二个粒子环绕，这种复杂结构的出现提供了进一步设计构建 轴对称准晶的可能方案。

　　审稿人评论说：“这很重要，因为至今该领域的众多研究都表明双长度尺度是准晶形成所需的条件。我对这篇文章的结果感到吃惊和非常兴奋。（This is a big deal, because until now, the evidence from much research in this area has been pointing to two length scales being required for quasicrystals to form. I’m really surprised and very excited by the results in this manuscript.）”；“过去十年，人们对软物质准晶和复杂自组装的兴趣急剧增长。每一年都有新材料准晶和新的理论发现的收获。这篇文章看来就是该领域如此不错的进展之一。（During the past decade, interest has grown tremendously in soft matter quasicrystals and complex self-assembly. New quasicrystals for new materials and new theoretical findings have been obtained year by year. This paper appears to be one of such nice progress in the field.）”。

　　该工作的第一作者是已从我校毕业的祖梦婕博士，她之前用同样的体系发现了二维软芯粒子体系熔化的新现象，相关工作2016年发表于物理学权威期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。这项工作得到了国家自然科学基金委和中科大创新团队培育基金的支持。

　　论文链接：http://www.nature.com/articles/s41467-017-02316-3