從金屬到聚合物，許多材料中都發現了準晶體。然而，它們形成的原因和方式仍未被完全理解。原位透射電子顯微鏡表明金屬中合金準晶形成了一種錯誤和修復機制，即準週期晶體在相位應變存在的情況下生長不完美，並且只在稍後完善自己成為高質量的準晶，但相位應變可以忽略。對於其他型別的準晶體，如樹枝狀、聚合物或膠體準晶體，其生長機制尚未被研究過。軟物質準晶體通常產生於熵，而不是能量，相互作用，並且通常不會(在實驗室或在矽中)生長成大體積準晶體。因此，目前尚不清楚軟物質準晶，是否具有金屬合金準晶所具有的高度結構質量。
近日，來自美國密歇根大學的Sharon C. Glotzer等研究者透過計算機模擬硬四面體系統，研究了熵驅動的膠體十二面準晶體(DQCs)的生長，這是各向異性膠體粒子形成準晶體的簡單模型。相關論文以題為“Entropic formation of a thermodynamically stable colloidal quasicrystal with negligible phason strain”發表在PNAS上。同期，該論文登上了PNAS的期刊封面。
論文連結：
https://www.pnas.org/content/118/7/e2011799118
準晶體，是一種介於晶體和非晶體之間的固體。準晶體具有與晶體相似的長程有序的原子排列，但是準晶體不具備晶體的平移對稱性。自從第一次在鋁錳合金熔體中發現二十面體準晶以來，在許多合金、碳同素異形體、金屬氧化物和各種軟物質體系(包括樹枝狀大分子、嵌段共聚物和膠體)中，都發現了具有8、10、12、18倍對稱性和二十面體對稱性的準晶。在這些完全不同的體系中，準晶體的明顯的結構普遍性引出了一個問題：在所有的體系中，準晶體的生長是相同的嗎?
準晶體如何形成是一個有爭議的問題。研究者提出了兩種生長模型：匹配規則模型和錯誤修復模型。匹配規則模型斷言準晶體形成為瓦片，即準晶體模式的亞單元，由特定排列的粒子簇附著在生長前端，以匹配現有的模式。匹配規則規定哪些附件是允許的，哪些是不允許的，模型想象這些瓷磚充當具有精確區域性匹配的拼圖塊。透過匹配規則，準晶體“完美地”生長，在任何時候都保持嚴格的準週期性，從而產生理想(或完美)的平鋪。相反，錯誤與修復模型將準晶體的形成描述為一個兩步過程。在第一步中，瓦片或粒子團簇以一種至少在某種程度上隨機的方式，快速附著在生長的準晶體上。這些不完美的附件最終產生相位應變，在長距離準週期無序的測量。在慢得多的第二步中，透過稱為相子翻轉的區域性粒子重排，相子應變被放鬆。最終，一個可以忽略相位應變的準晶體是可能的，因此兩種模型的最終結果可以非常相似。
近來，研究者分別利用透射電子顯微鏡觀察Al-Ni-Co熔體的十面體(10倍)準晶生長，以及利用分子動力學模擬，透過各向同性對勢相互作用的單粒子物種的自組裝的二十面體準晶的最新原位觀察，支援了錯誤和修復機制。雖然這兩個系統，一個是實驗系統，一個是計算系統，顯然是不同的，但在這兩種情況下，驅動準晶體生長的是勢能，而不是熵。哪個生長模型適用於熵驅動準晶體的形成？最近有證據表明，在以能量為主和以熵為主的系統中，結晶動力學途徑是相似的。這是否意味著，軟物質準晶體是透過錯誤和修復形成的，從而高質量的準晶體可以在熵驅動的軟物質系統中實現？
在此，研究者回答了硬四面體體系中十二面準晶體(DQC)的問題。因為四面體粒子是硬的，也就是說，只通過排除體積相互作用，研究者的系統完全由熵控制，也就是說，DQC從熵最大化形成，因此是軟物質準晶體的良好表示。研究者從蒙特卡羅(MC)模擬執行中發現，在DQC生長過程中，相應變仍然很小，並且只會進一步微弱地放鬆，從而產生一個高質量的DQC，直接來自熔體的相應變可以忽略不計。使用模式識別演算法應用於粒子在DQC生長過程中的軌跡，研究者分析了相位應變隨準週期階的演化。與合金一樣，研究者觀察到高結構質量；低相位應變的DQCs直接從熔體結晶，只需要最小的進一步降低相位應變。研究者還觀察到，透過連續相位應變鬆弛從DQC的稠密近似的變換。該結果表明，由熵控制的軟物質準晶體可以在熱力學上穩定，並具有高的結構質量——就像它們的合金準晶體一樣。
圖1 DQC中由硬正四面體構成的平鋪層次結構。
圖2 DQC生長過程中準晶瓦化的演化。
圖3從硬四面體流體開始的DQC生長過程的相應變分析。
圖4 在長MC模擬中，從一階近似到DQC的連續變換。
總的來說，研究者的工作揭示了一個潛在的限制因素對高結構質量準晶：需要退火準晶足夠長的時間，以癒合相位應變和其他缺陷最初在快速生長。合金中原子的移動速度要比大得多的膠體快幾個數量級，這就解釋了為什麼退火在傳統的QCs中不是什麼大問題。未來的工作應該尋找形成模式，導致軟物質準晶體具有很少的缺陷或缺陷癒合快。這些軟物質準晶體將是功能材料的最佳選擇，例如，透過自組裝製造下一代光學器件的完整光子帶隙材料。（文：水生）