物質新形態：準晶體為何能挑戰物理學界的百年定律？

長期以來，物理學界對固體物質的理解都相對簡單：要么是像鉆石或鹽一樣，原子以周期性重復的完美規則排列，我們稱之為晶體；要么是像玻璃一樣，原子毫無規則地雜亂無章排列，我們稱之為非晶體。

但這兩種分類之外，還有一種“不守規矩”的物質，讓科學家們困惑了整整40年，它就是準晶體。最近，來自密歇根大學的研究團隊通過首次進行量子力學模擬，終于揭開了準晶體存在的秘密，并結束了這場長達數十年的科學爭論。

什么是準晶體？

你可以把晶體的原子排列想象成用正方形地磚鋪地板，圖案會不斷重復。晶體學有一個基本定律，決定了晶體只能有2、3、4或6重對稱性，因為只有這些形狀的圖案才能完美地重復排列，不留空隙。

然而，在1984年，以色列科學家丹·謝赫特曼（Daniel Shechtman）在研究鋁錳合金時，發現了一種擁有五重對稱性的物質。這種對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，總會留下空隙。這在當時被認為是“不可能”的，因為這違背了晶體學的基本定律。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，他才因準晶體的發現而獲得諾貝爾化學獎。

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

40年的謎團終于解開

在過去的40年里，科學家們一直在爭論：準晶體到底是真實存在的穩定物質，還是在快速冷卻過程中偶然形成的、不穩定的“怪胎”？

傳統的物理模擬無法解釋這種復雜的非周期性結構，但密歇根大學的團隊通過最新的量子力學模擬技術，成功地“造”出了準晶體。他們的模擬結果顯示，準晶體并不是偶然現象，而是一種在能量上比其他結構更穩定的物質。也就是說，在某些原子組合中，形成準晶體結構是它們最“舒服”的狀態，就像水在零度以下會結成冰一樣。

這項突破性研究不僅證實了準晶體的存在是符合物理規律的，更重要的是，它為我們提供了一個全新的工具，可以從量子層面理解和設計這些奇特的材料。

準晶體有什么用？

準晶體因為其獨特的結構，擁有許多非同尋常的特性：

• 硬度高且摩擦系數低： 這使得它們非常適合用作不粘鍋涂層、手術刀具和工業部件。
• 導熱和導電性差： 雖然它們由金屬組成，但其混亂的結構反而讓電子和熱量難以流動，使其成為優秀的絕緣材料。

現在，隨著科學家們能夠系統性地模擬和理解準晶體，我們未來將能更好地利用這些特性，開發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的光學設備，準晶體正在打開一個全新的世界。