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该论文登上了PNAS的期刊封面,聚合物或胶体准晶体

发布时间:2021-03-01 22:07编辑:小狐阅读: 211次 手机阅读

从金属到聚合物,许多材料中都发现了准晶体。然而,它们形成的原因和方式仍未被完全理解。原位透射电子显微镜表明金属中合金准晶形成了一种错误和修复机制,即准周期晶体在相位应变存在的情况下生长不完美,并且只在稍后完善自己成为高质量的准晶,但相位应变可以忽略。对于其他类型的准晶体,如树枝状、聚合物或胶体准晶体,其生长机制尚未被研究过。软物质准晶体通常产生于熵,而不是能量,相互作用,并且通常不会(在实验室或在硅中)生长成大体积准晶体。因此,目前尚不清楚软物质准晶,是否具有金属合金准晶所具有的高度结构质量。

近日,来自美国密歇根大学的Sharon C. Glotzer等研究者通过计算机模拟硬四面体,研究了熵驱动的胶体十二面准晶体(DQCs)的生长,这是各向异性胶体粒子形成准晶体的简单模型。相关论文以题为“Entropic formation of a thermodynamically stable colloidal quasicrystal with negligible phason strain”发表在PNAS上。同期,该论文登上了PNAS的期刊封面。

该论文登上了PNAS的期刊封面,聚合物或胶体准晶体(图1)

该论文登上了PNAS的期刊封面,聚合物或胶体准晶体(图2)

准晶体,是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶体具有与晶体相似的长程有序的原子排列,但是准晶体不具备晶体的平移对称性。自从第一次在铝锰合金熔体中发现二十面体准晶以来,在许多合金、碳同素异形体、金属氧化物和各种软物质体系(包括树枝状大分子、嵌段共聚物和胶体)中,都发现了具有8、10、12、18倍对称性和二十面体对称性的准晶。在这些完全不同的体系中,准晶体的明显的结构普遍性引出了一个问题:在所有的体系中,准晶体的生长是相同的吗?

准晶体如何形成是一个有争议的问题。研究者提出了两种生长模型:匹配规则模型和错误修复模型。匹配规则模型断言准晶体形成为瓦片,即准晶体模式的亚单元,由特定排列的粒子簇附着在生长前端,以匹配现有的模式。匹配规则规定哪些附件是允许的,哪些是不允许的,模型想象这些瓷砖充当具有精确局部匹配的拼图块。通过匹配规则,准晶体“完美地”生长,在任何时候都保持严格的准周期性,从而产生理想(或完美)的平铺。相反,错误与修复模型将准晶体的形成描述为一个两步过程。在第一步中,瓦片或粒子团簇以一种至少在某种程度上随机的方式,快速附着在生长的准晶体上。这些不完美的附件最终产生相位应变,在长距离准周期无序的测量。在慢得多的第二步中,通过称为相子翻转的局部粒子重排,相子应变被放松。最终,一个可以忽略相位应变的准晶体是可能的,因此两种模型的最终结果可以非常相似。

近来,研究者分别利用透射电子显微镜观察Al-Ni-Co熔体的十面体(10倍)准晶生长,以及利用分子动力学模拟,通过各向同性对势相互作用的单粒子物种的自组装的二十面体准晶的最新原位观察,支持了错误和修复机制。虽然这两个,一个是实验,一个是计算,显然是不同的,但在这两种情况下,驱动准晶体生长的是势能,而不是熵。哪个生长模型适用于熵驱动准晶体的形成?最近有证据表明,在以能量为主和以熵为主的中,结晶动力学途径是相似的。这是否意味着,软物质准晶体是通过错误和修复形成的,从而高质量的准晶体可以在熵驱动的软物质中实现?

在此,研究者回答了硬四面体体系中十二面准晶体(DQC)的问题。因为四面体粒子是硬的,也就是说,只通过排除体积相互作用,研究者的完全由熵控制,也就是说,DQC从熵最大化形成,因此是软物质准晶体的良好表示。研究者从蒙特卡罗(MC)模拟运行中发现,在DQC生长过程中,相应变仍然很小,并且只会进一步微弱地放松,从而产生一个高质量的DQC,直接来自熔体的相应变可以忽略不计。使用模式识别算法应用于粒子在DQC生长过程中的轨迹,研究者分析了相位应变随准周期阶的演化。与合金一样,研究者观察到高结构质量;低相位应变的DQCs直接从熔体结晶,只需要最小的进一步降低相位应变。研究者还观察到,通过连续相位应变松弛从DQC的稠密近似的变换。该结果表明,由熵控制的软物质准晶体可以在热力学上稳定,并具有高的结构质量—就像它们的合金准晶体一样。

该论文登上了PNAS的期刊封面,聚合物或胶体准晶体(图3)

图1 DQC中由硬正四面体构成的平铺层次结构。

该论文登上了PNAS的期刊封面,聚合物或胶体准晶体(图4)

图2 DQC生长过程中准晶瓦化的演化。

该论文登上了PNAS的期刊封面,聚合物或胶体准晶体(图5)

图3从硬四面体流体开始的DQC生长过程的相应变分析。

该论文登上了PNAS的期刊封面,聚合物或胶体准晶体(图6)

图4 在长MC模拟中,从一阶近似到DQC的连续变换。

总的来说,研究者的工作揭示了一个潜在的限制因素对高结构质量准晶:需要退火准晶足够长的时间,以愈合相位应变和其他缺陷最初在快速生长。合金中原子的移动速度要比大得多的胶体快几个数量级,这就解释了为什么退火在传统的QCs中不是什么大问题。未来的工作应该寻找形成模式,导致软物质准晶体具有很少的缺陷或缺陷愈合快。这些软物质准晶体将是功能材料的最佳选择,例如,通过自组装制造下一代光学器件的完整光子带隙材料。水生

本文相关词条概念解析:

晶体

晶体:是有明确衍射图案的固体,其原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列。晶体中原子或分子的排列具有三维空间的周期性,隔一定的距离重复出现,这种周期性规律是晶体结构中最基本的特征。

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