中大学者发现材料结构形成的全新范例 有助理解材料的结构形成、自行组装和堆积

香港中文大学 （中大） 物理系教授徐磊教授和博士后研究员沈鸿川博士，近日联同中国及日本的科学家，发现了材料结构形成的全新范例。在这范例下，粒子形状对体系静态结构的影响极为轻微，但却决定了系统的弛豫动力学。此项发现有助理解材料的结构形成、自行组装和堆积，为将来设计新材料，以及调节其软硬及可塑度提供了新方向。该项研究最近已于著名科学期刊 《自然 ． 通讯》 （ Nature Communications ）发表。 

新 发 现打破传统对 系统 结构形成的认 识  

如何用同一种结构单元（粒子）填满整个空间，是理解如何在凝聚态物理学中实现特定固体结构、于材料力学中制造新的自行组装结构，甚至在生物学体系中产生复杂生物群落和群组的关键问题。 

以往绝大部份研究均使用短程相互作用的粒子。在这情况下，当粒子改变形状时，其系统结构将相应地发生改变，不同形状的粒子会产生不同的系统结构。徐磊教授和他的团队发现，当粒子之间的相互作用变成长程时，这种「常规」即会被打破。他们揭示在广泛的密度区间内，有「六角形塑胶晶体」这种统一的结构状态存在于各种多边形粒子系统中，如六边形、五边形、正方形及三角形等。这一发现揭示，在长程相互作用这种新状况下，系统结构不再依赖于粒子形状的独特性质。

发现粒子形状控制弛豫新 机制  

研究团队发现虽然粒子形状对系统的静态结构的影响不大，但对系统弛豫有重大的影响；在外部扰动下，不同形状的粒子展现不同的弛豫过程。这项研究首次揭示了此过程由多边形粒子所产生的「内部粗糙程度」所控制。其中，一般只出现于准晶体中的缺陷环的新弛豫机制，亦于三角形组成的晶体结构出现，此为出乎预料之外的发现。 

发现的影响和应用  

这项研究为解释塑胶晶体中的弛豫行为提供了一个基本蓝图，并有助解释广泛存在的正方晶格冰晶和自旋受挫晶格的弛豫过程。它甚至可以扩展到更无序的系统如金属玻璃材料中，并有助解释其高坚硬度和低塑性。徐磊教授表示：「由于金属玻璃的内部粗糙度非常大，其内部结构基本已被锁定，难以进行移动及弛豫。我们的发现可以协助解释为何无序金属玻璃比有序晶体有更高的坚硬度和更低的塑性，并为日后设计新材料，以及调节其软硬及可塑度提供了新方向。」 

这项获香港研究资助局、中国国家自然科学基金和上海明日之星计划支持的研究，主要由中大杰出的博士后研究员沈鸿川博士进行，并在中大物理系徐磊教授和复旦大学物理系谭鹏教授的共同指导下完成。徐磊教授的软物质物理实验室致力研究日常生活中的常见现象，比如液滴飞溅、水珠结冰及油漆变干等现象，并从中发掘新物理和新材料，以改善人类的日常生活。