研究发现"类晶体"材料具有可定制的磁性或电性

来源：cnBeta.COM 　2021-04-22 09:45:48

犹他大学的数学家和工程师合作，展示了超声波如何将水中的碳颗粒组织成一种永不重复的模式。他们说，这一结果可能会产生被称为"类晶体"的材料，具有可定制的磁性或电性。该研究发表在《物理评论快报》杂志上。

数学副教授费尔南多-格瓦拉-巴斯克斯(Fernando Guevara Vasquez)说："类晶体的研究很有趣，因为它们具有晶体所不具备的特性"。"它们已被证明比类似的周期性或无序材料更硬。它们还可以导电，或以不同于晶体的方式散射波。"

想象一个棋盘。你可以把两个黑色区块和两个白色(或红色)区块组成的2x2正方形，复制和粘贴，得到整个棋盘。这样的 "周期 "结构其图案是重复的，这种形态普遍在晶体中出现。例如，以一粒盐为例。在原子水平上，它是一个由钠和氯原子组成的网格状格子。你可以从晶体的一个部分复制和粘贴晶格，并在任何其他部分找到一个匹配。

但是准周期性结构是具有欺骗性的。一个例子是被称为彭罗斯瓷砖的图案。乍一看，这些几何菱形瓦片似乎是有规律的图案。但你不能复制和粘贴这种图案。它不会重复，因为彭罗斯瓦片的菱形瓦片表现出五重对称性。

材料科学家丹-谢赫特曼(Dan Schechtman)在一些金属合金中发现了准周期结构，获得了2011年诺贝尔化学奖，并开启了对准晶体的研究。

自2012年以来，格瓦拉和机械工程副教授Bart Raeymaekers一直在合作设计具有微尺度定制结构的材料。他们最初并不是想创造准周期性材料--事实上，他们的第一个理论实验，由数学博士生China Mauck领导，主要是研究周期性材料，以及利用超声波可能实现的粒子模式。在每个维度的平面上，他们发现两对平行的超声波换能器足以将粒子排列成一个周期性的结构。

但是，如果他们有更多的一对换能器会发生什么?为了找出答案，Raeymaekers和研究生Milo Prisbrey(现在在洛斯阿拉莫斯国家实验室)提供了实验仪器，数学教授Elena Cherkaev提供了准晶体的数学理论经，他们共同进行了理论计算，以预测超声传感器将产生的模式。

实验装置有四对超声换能器，围绕着一个悬浮在水中的碳纳米粒子的容器。

研究人员将四对超声换能器设置成一个八角形的站牌排列。在这个八角形的设置中，该团队将小的碳纳米粒子放置在水中，悬浮在水中。一旦换能器打开，超声波就会引导碳颗粒到位，形成类似于彭罗斯瓷砖的准周期图案。

下一步将是实际制造一种具有准周期图案排列的材料。这并不困难，如果这些颗粒悬浮在一种聚合物中，而不是悬浮在水里，一旦这些颗粒就可以被固化或硬化。至关重要的是，通过这种方法可以创造出二维或三维的准周期材料，通过选择如何安排超声换能器和如何驱动它们，它们就可以实现常见的准周期对称性。

这些材料能做什么还有待观察，但最终的一个应用可能是创造出能操纵电磁波的材料，比如今天5G蜂窝技术使用的电磁波。切尔卡耶夫说，准周期性材料的其他已知应用包括不粘涂层(由于其摩擦系数低)，以及防止热传递的绝缘涂层。

然而，另一个例子是通过嵌入小型准晶体颗粒来硬化不锈钢。2011年诺贝尔化学奖的新闻稿中提到，准晶体可以 "像盔甲一样加固材料"。

因此，研究人员说，我们可以希望这些由超声粒子组装产生的新型准晶结构有许多新的令人兴奋的应用。

标签：类晶体磁性电性

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