复旦研究：用简单规则搭出复杂晶格结构

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长久以来，科学家们在微观世界搭建复杂精美晶格结构时，面临一个核心困难，传统观念认为，要生成复杂对称结构，就得设计同样复杂的“定制零件”与相互作用，这如同拼一幅精美马赛克画，每块小瓷砖都要有特定形状和卡槽，方法实验条件严苛，还极易出错，大量粒子会卡在错误位置，难以形成大面积、高质量完美晶格。

然而，有那么一支研究团队，最近跳出了这一传统式思路，从数学跟物理的深层几何对称性里汲取灵感 ，提出了一种名为“化繁为简”的新範式，也就是“对偶对称性引导”。这项成果已经在二维胶体实验以及分子动力学模拟当中得到验证。团队不但成功实现了9种复杂阿基米德晶格的自组装，还把该方法推广到了具有8、10、12重旋转对称性的二维非周期准晶结构中。

这个新范式之中最为核心的发现究竟是什么呢？简而言之，存在着这样一种情形，众多复杂晶格天然地具备一种所谓的“对偶性”，具体而言，一个复杂晶格能够被划分成两组子点阵，这两组子点阵相互之间呈现出互为对偶的关系，这也就意味着，一旦掌握了其中一组子点阵的结构信息，那么就能够借助数学变换推导出另外一组，进而可以完整地还原整个晶格结构。

更为关键之处在于，这种几何对偶性直接在物理性质上有所反映。团队发觉，在组装进程里，仅仅只需稀疏地“打下几个关键地基”，把其中一个低对称性子晶格进行锚定，剩余的那些自由颗粒就能在最简的纯各向同性相互作用之下，自发且精准地填补至对应的互补子晶格位置，进而将宏观的复杂目标晶格予以重构出来。就如论文共同第一作者、博士生孙雯思所阐释的那般：“我们并非需要把控全部信息，只需精准地‘引导’一半，另一半能够借助系统动力学自发达成。”。

新策略，除了在设计原理方面存在着那种可称作简化的情况之外，还在动力学演化的维度之上，将无可比拟的优势予以展现。借助于减少锚定点这种行为方式，极为巧妙地为自由颗粒留存下了相互连通着的那种被叫做“自由体积”的东西，这些“自由体积”就如同是系统内部的“高速公路”一般，进而使得颗粒能够达成高效的自我修复。数值模拟给出了证明，哪怕是在极强的锚定条件之下，系统依旧维持了优异得出奇的动力学可及性，达成了晶格的自组装以及自我修复。

这一设计架构，不依存于特定体系，具备较强普适性与跨尺度推广价值，不管是软物质胶体，还是纳米光子晶格，这套新范式均可适用，甚至能借由分层策略，从二维平面推进到三维结构。团队当前正试着运用AI，在所有可能的材料衬底内自动挑选出最优结构，进一步提高设计效率。他们期望把对偶对称性策略与动力学研究结合起来，探寻其对无序复杂体系动力学行为的调控能力，把这一设计范式扩展至三维复杂晶格以及其他类型的准晶结构。这项成果，为二维材料领域开创新路径，为胶体体系领域开创新路径，为原子分子体系等领域的复杂功能材料可控制备开创新路径。

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