Nature：37年前第一个被报道，直到现在才实现构建

二十面体准晶(IQCs)，是一种在任意方向上都表现出长程有序但缺乏周期性的材料。虽然IQCs是第一个报道的准晶体，但它们目前实验上只在金属合金中观察到这种现象，而在其他材料中尚未观察到。

相比之下，在一些软物质系统中已经发现了具有其他对称性的准晶体(特别是十二边形)。

在此，来自西班牙罗卡索拉诺物理化学研究所的Eva G. Noya & 牛津大学的Jonathan P. K. Doye等研究者，介绍了一类由模型零散状胶体构建的IQCs，可以用DNA折纸粒子实验实现。相关论文以题为“How to design an icosahedral quasicrystal through directional bonding”于2021年08月18日发表在Nature上。

理解准晶体形成的一般指导原则是，粒子间相互作用中存在两个长度尺度(或等价地，势的傅立叶变换中具有两个波数的特征)。对于超软势，如果两个(反)长度比例等于黄金比例，则二十面体准晶(IQCs)可以稳定。同样，对于表征硬排斥核粒子的势，通过扫描具有多个极小值的模型势的参数空间，来定位模拟中可形成IQCs的单组分系统。

对于IQCs来说，是否需要潜在的长程特性，或者鼓励准晶对称性的局部定向键合是否足以稳定IQCs，仍有待观察。用二维双组分的片状粒子混合物，解决了十二角对称准晶体的等价问题。当键在12个等效方向中的任意一个方向上具有相同的可能性时，局部定向键合倾向于方三角形瓦和准晶完全键合配置是可能的。

在结构分析中，虽然势各向同性，但键明显沿二十面体点群的对称轴方向。然而，目前还没有已知的具有二十面体对称、所有粒子都完全结合的粒子间网络。例如，众所周知，以二十面体顺序的12-配位局部组装是失败的。虽然可以用二十面体填料形成小团簇，但由于键长分布越来越广，应变能迅速积聚，使得这些填料只能在小尺寸下才可行。同样，尽管付出了巨大的努力，但仍然没有发现一个四面体配位的IQC网络。

IQCs的另一个有趣的特征是，尽管它们有近乎完美的长程定向有序，但在局部水平上它们是非常异构的，(例如)配位数的广泛分布。因此，研究者在设计通过定向粘接稳定的IQCs时，放弃了通常的全粘接目标。

在此，研究者认为设计能够坚固地组装成IQCs的零散粒子系统是非常简单的，并且采用DNA纳米技术就可以实现。研究者的合理设计策略，使得系统通过定向键合在模拟中有效地组装成了目标IQC。这说明了以体-心的和原始的IQCs，最简单的系统只涉及两种粒子类型。关键的设计特征是粒子间相互作用的几何形状，有利于二十面体的化学键网络的传播，尽管这导致许多粒子没有完全结合。该方法不仅为探索IQCs的基础物理提供了模型系统，还为功能性准晶材料提供了一条潜在的路径。

Nature：37年前第一个被报道，直到现在才实现构建

图1 从理想的准晶体到零散粒子设计

Nature：37年前第一个被报道，直到现在才实现构建

图2 装配体-心的IQC

图3 一种零散-粒子原始IQC

图4 最小准晶-形成系统

综上，在这里提出的理性设计策略，也可以推广到具有其他对称的准晶体中。这就带来了一种广泛的前景，不仅可以设计出具有八角形和十角形对称的软物质准晶体，而且还可以实现以前从未实现过的对称——七角形准晶体，这将是一个特别有吸引力的目标。

文献信息

Noya, E.G., Wong, C.K., Llombart, P. et al. How to design an icosahedral quasicrystal through directional bonding. Nature 596, 367–371 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03700-2

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03700-2#citeas

Nature：37年前第一个被报道，直到现在才实现构建

点击阅读原文，提交计算需求！

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/12/924d42056b/

Nature：37年前第一个被报道，直到现在才实现构建

相关推荐