当大多数人想到水晶时，他们会想到充当彩虹棱镜的捕光器或一些人认为具有治愈能力的半透明石头。然而，对于科学家和工程师来说，晶体是一种材料，其中的成分——原子、分子或纳米粒子——在空间中有规律地排列。换句话说，晶体是由其成分的规则排列来定义的。常见的例子是钻石、食盐或方糖。
然而，在刚刚发表的研究中，由伦斯勒理工学院化学与生物工程系副教授Sangwoo Lee领导的团队发现，晶体结构不一定总是规则排列。这一发现推动了材料科学领域的发展，并对用于半导体、太阳能电池板和电动汽车技术的材料产生了尚未实现的影响。
最常见和最重要的一类晶体结构是规则球体的密堆积结构，该结构是通过以蜂窝状排列堆叠球体层而构成的。堆叠层以构建密排结构的方法有很多种，自然如何选择特定的堆叠是材料和物理研究中的一个重要问题。在密堆积结构中，有一种非常不寻常的结构，具有不规则间隔的成分，称为二维六边形层 (RHCP) 的随机堆叠。这种结构于 1942 年首次从钴金属中观察到，但它一直被认为是一种过渡的和能量上不受欢迎的状态。
Lee 的研究小组收集了由聚合物制成的软模型纳米颗粒的 X 射线散射数据，并意识到散射数据包含关于 RHCP 的重要结果，但非常复杂。然后，伦斯勒大学化学与生物工程系教授帕特里克·安德希尔 (Patrick Underhill) 在计算创新中心使用超级计算机系统、人工智能多处理优化系统 (AiMOS) 对散射数据进行了分析。
“我们发现 RHCP 结构很可能是一种稳定的结构，这就是 RHCP 在许多材料和天然存在的晶体系统中被广泛观察到的原因，”Lee 说。“这一发现挑战了晶体的经典定义。”
该研究提供了对称为多型现象的见解，这种现象能够形成 RHCP 和其他密堆积结构。具有多型性的代表性材料是碳化硅，广泛用于电动汽车中的高压电子设备和防弹衣的硬质材料。Lee 团队的发现表明，这些多型材料可能具有连续的结构转变，包括具有新的有用特性的非经典随机排列。
“软粒子如何堆积的问题看起来很简单，但即使是最基本的问题也很难回答，”与这项研究无关的明尼苏达大学双城分校的凯文多夫曼说。“这篇论文为面心立方 (FCC) 和密排六方 (HCP) 晶格之间的连续转变提供了令人信服的证据，这意味着它们之间存在稳定的随机六方密排相，因此在材料研究方面取得了重要突破科学。”
伦斯勒工程学院院长 Shekhar Garde 表示：“我对这一发现特别满意，它显示了先进计算的力量，可以通过解码软材料中的分子水平结构，在材料科学领域取得重大突破。” “Lee 和 Underhill 在伦斯勒的工作也有望为这些新材料的许多技术应用开辟机会。”
Lee 和 Underhill 与 Rensselaer 的 Juhong Ahn、上海科技大学的 Liwen Chen 以及布鲁克海文国家实验室的 Guillaume Freychet 和 Mikhail Zhernenkov 一起参与了研究。
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