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世界上最复杂的晶体结构已模拟成功
来源 : 科学之家   发布时间 : 2015-02-10 11:24

图片说明:美国密歇根的工程研究人员日前模拟出了迄今为止最复杂的晶体结构——二十面体准晶。图片来源:Michael Engel
 
日前,美国密歇根大学(University of Michigan)的研究人员使用计算机模拟得到了迄今为止最复杂的晶体结构,他们声称此项工作将有助于揭示如何使用简单的规律得到复杂结构。
 
从表面上来看,他们所模拟得到的“二十面体准晶”(icosahedral quasicrystal)是有序的,但不是重复的结构。同时,它在旋转时是对称的,就像一个由五边形或者六边形碎片构成的足球。
 
这一性质,也称之为二十面体对称,在小尺寸围绕单点结构中很常见。它存在于病毒外壳或巴基球(即由60个碳原子组成的分子)中,但并不存在于传统晶体中。本研究的第一作者、密歇根大学化学工程系的研究人员Michael Engel说:“就像用五边形的砖来铺浴室门一样,二十面体不能很好地填满空间。”
 
Engel说:“本质上,二十面体准晶在大部分空间是二十面体对称的,这也是放弃周期性(即重复性)的唯一可能方法。它是一个高度复杂的结构。”
 
在金属合金中可以发现二十面体准晶结构,首位发现此结构的化学家在30年前被授予了诺贝尔化学奖,但是研究人员一直努力试图在其他材料中发现它。因为其在旋转时的高度对称性,它还有一个性质,即“光子带隙”。当两个粒子之间的空隙与光之间的距离相当时,光子带隙即产生。以此种方式排列的粒子可以捕捉及追踪来自各个方向的光。
 
密歇根大学化学工程教授Sharon Glotzer说:“如果可以使用纳米尺寸或微米尺寸的粒子来组装得到此二十面体准晶,它们将在很多领域有着广泛应用,诸如通讯和显示技术,甚至是伪装手段。”
 
尽管这些应用前景看上去十分诱人,但这也只是猜测。研究人员还补充道,本项研究最大的发现是二十面体准晶的形成方式。
 
Glotzer说:“当研究人员在实验室中研究准晶时,他们往往缺少直观的原子位置资料。他们通过观测材料如何反射光来获取位置信息,还没有人使用计算机模型获取到关于二十面体对称和自组装热动力学相关的信息。在过去的几十年内,研究人员也一直在努力。”
 
这一模拟使得研究人员首次观测到二十面体对称性的发展过程。
 
密歇根大学的模拟工作仅使用了一种独特粒子,而通常情况下,我们需要两到三个原子元素来获得更具代表性的准晶结构。
 
即使最终产物是长程有序的,其中的粒子也仅与其周围至多3个粒子发生相互作用。研究人员通过进一步研究发现,黄金比例主导了此项相互作用。黄金比例,即1.61,是一个最先由古希腊学者发现的,在数学和艺术领域都非常重要的数字。它与斐波那契数列(Fibonacci Sequence)有关,它是一个由0和1开始的数列,每下一个数字是上两个数字之和,即0,1,1,2,3,5,8,13…..。例如,它广泛存在于在鲜花的花瓣中,松树的种子,树枝的分叉和鹦鹉螺的螺旋中。
 
“这一发现有助于我们解决自然界中一个非常重要的基本问题,即从局部信息怎样获得复杂的原子和分子构造信息?这是使用简单规律去丰富结构信息的一个很好例子。”(科学之家,译审:XQ Chen)

 


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