如何用最“簡(jiǎn)單”的規(guī)則，搭建出最“復(fù)雜”的微觀結(jié)構(gòu)？這是材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)核心挑戰(zhàn)。

北京時(shí)間4月1日晚，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系、應(yīng)用表面物理全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室譚鵬教授與合作者在《自然》（Nature）聯(lián)合發(fā)表研究成果，提出一種全新的“對(duì)偶對(duì)稱性引導(dǎo)（Dual-symmetry-guided，DSG）”設(shè)計(jì)范式。這一發(fā)現(xiàn)打破了“復(fù)雜材料組裝必須依賴復(fù)雜基元”的傳統(tǒng)認(rèn)知，為利用多種物理和化學(xué)技術(shù)手段制備光子晶體、超導(dǎo)材料等復(fù)雜對(duì)稱性材料與器件提供了新的思路。

過去，想要造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的材料，科學(xué)家往往需要設(shè)計(jì)同樣復(fù)雜的“零件”，比如形狀奇特的顆?；蚋叨榷ㄏ虻幕瘜W(xué)鍵，這種做法不僅實(shí)驗(yàn)條件苛刻，還容易讓粒子“卡”在錯(cuò)誤的位置，很難形成完美的大面積結(jié)構(gòu)。

復(fù)旦團(tuán)隊(duì)換了個(gè)思路，他們從幾何對(duì)稱性中找到靈感，提出一種“化繁為簡(jiǎn)”的“對(duì)偶對(duì)稱性引導(dǎo)”的新方法。簡(jiǎn)單來說，很多復(fù)雜晶格天然可以分成兩組互相對(duì)應(yīng)的子結(jié)構(gòu)，就像一對(duì)“雙胞胎”，只要掌握其中一組，另一組就可以通過數(shù)學(xué)變換推導(dǎo)出來。

DSG策略以及在二維膠體實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬中的實(shí)現(xiàn)。圖片展示了9種阿基米德晶格和三種準(zhǔn)晶格，其結(jié)構(gòu)由3，4，6，8，10，12旋轉(zhuǎn)對(duì)稱單元按特定順序組裝而成，表現(xiàn)出復(fù)雜精巧的全局對(duì)稱性和多尺度結(jié)構(gòu)特性。 “復(fù)旦大學(xué)”微信公眾號(hào) 圖

這項(xiàng)突破背后是長達(dá)六年的摸索。初期，團(tuán)隊(duì)沿用傳統(tǒng)的模板方法，但粒子經(jīng)常卡住、結(jié)構(gòu)不完整。后來他們嘗試減少固定點(diǎn)，觀察哪些點(diǎn)可以移除而不影響最終結(jié)果。“我們發(fā)現(xiàn)，在許多復(fù)雜晶格中，存在一種內(nèi)在的‘對(duì)偶性’，這些結(jié)構(gòu)可以分解為兩組互相對(duì)應(yīng)的子結(jié)構(gòu)，掌握其中一組就足以還原整體?！弊T鵬介紹。

實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)只需要稀疏地固定其中一組子晶格，剩下的自由顆粒就能在簡(jiǎn)單的相互作用下，自發(fā)填補(bǔ)到對(duì)應(yīng)位置，最終拼出完整的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

“這讓我們從被動(dòng)的‘試錯(cuò)’，轉(zhuǎn)向了主動(dòng)的‘設(shè)計(jì)’。”論文共同第一作者、博士生孫雯思打了個(gè)比方，“我們不需要控制全部信息，只需精確‘引導(dǎo)’一半，另一半可通過系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自發(fā)完成。這大幅降低了復(fù)雜結(jié)構(gòu)自組裝的難度和成本?！?/p>

這種策略不僅設(shè)計(jì)上化繁為簡(jiǎn)，在動(dòng)態(tài)演化中也更有優(yōu)勢(shì)。通過減少錨定點(diǎn)，自由顆粒有了更多的“自由空間”。數(shù)值模擬證明，即使錨定條件很強(qiáng)，系統(tǒng)依然能完成高質(zhì)量的自組裝。

譚鵬課題組合影

這項(xiàng)研究被《自然》審稿人評(píng)價(jià)為“優(yōu)雅的工作”，即用極簡(jiǎn)的物理原理，駕馭了極復(fù)雜的結(jié)構(gòu)生成。這種“優(yōu)雅”離不開多學(xué)科交叉：幾何對(duì)偶性來自數(shù)學(xué)，實(shí)驗(yàn)中的膠體體系涉及化學(xué)，而物理學(xué)的洞察把這一切串聯(lián)起來。團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這套新范式不依賴特定材料體系，從軟物質(zhì)膠體到納米光子晶格都能適用，甚至有望從二維推廣到三維。

目前，團(tuán)隊(duì)正嘗試用AI自動(dòng)篩選最優(yōu)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)效率。他們希望將對(duì)偶對(duì)稱性策略推廣到更多復(fù)雜材料中?！斑@為復(fù)雜晶格材料的制備提供了一種全新的設(shè)計(jì)思路。”孫雯思說，“在二維材料、膠體體系、原子分子體系等領(lǐng)域，都有廣泛的應(yīng)用前景?！?/p>