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二十面體準晶(IQCs)，是一種在任意方向上都表現出長程有序但缺乏周期性的材料。雖然IQCs是第一個報道的準晶體，但它們目前實驗上只在金屬合金中觀察到這種現象，而在其他材料中尚未觀察到。

相比之下，在一些軟物質系統中已經發現了具有其他對稱性的準晶體(特別是十二邊形)。

在此，來自西班牙羅卡索拉諾物理化學研究所的Eva G. Noya & 牛津大學的Jonathan P. K. Doye等研究者，介紹了一類由模型零散狀膠體構建的IQCs，可以用DNA折紙粒子實驗實現。相關論文以題為“How to design an icosahedral quasicrystal through directional bonding”于2021年08月18日發表在Nature上。

理解準晶體形成的一般指導原則是，粒子間相互作用中存在兩個長度尺度(或等價地，勢的傅立葉變換中具有兩個波數的特征)。對于超軟勢，如果兩個(反)長度比例等于黃金比例，則二十面體準晶(IQCs)可以穩定。同樣，對于表征硬排斥核粒子的勢，通過掃描具有多個極小值的模型勢的參數空間，來定位模擬中可形成IQCs的單組分系統。

對于IQCs來說，是否需要潛在的長程特性，或者鼓勵準晶對稱性的局部定向鍵合是否足以穩定IQCs，仍有待觀察。用二維雙組分的片狀粒子混合物，解決了十二角對稱準晶體的等價問題。當鍵在12個等效方向中的任意一個方向上具有相同的可能性時，局部定向鍵合傾向于方三角形瓦和準晶完全鍵合配置是可能的。

在結構分析中，雖然勢各向同性，但鍵明顯沿二十面體點群的對稱軸方向。然而，目前還沒有已知的具有二十面體對稱、所有粒子都完全結合的粒子間網絡。例如，眾所周知，以二十面體順序的12-配位局部組裝是失敗的。雖然可以用二十面體填料形成小團簇，但由于鍵長分布越來越廣，應變能迅速積聚，使得這些填料只能在小尺寸下才可行。同樣，盡管付出了巨大的努力，但仍然沒有發現一個四面體配位的IQC網絡。

IQCs的另一個有趣的特征是，盡管它們有近乎完美的長程定向有序，但在局部水平上它們是非常異構的，(例如)配位數的廣泛分布。因此，研究者在設計通過定向粘接穩定的IQCs時，放棄了通常的全粘接目標。

在此，研究者認為設計能夠堅固地組裝成IQCs的零散粒子系統是非常簡單的，并且采用DNA納米技術就可以實現。研究者的合理設計策略，使得系統通過定向鍵合在模擬中有效地組裝成了目標IQC。這說明了以體-心的和原始的IQCs，最簡單的系統只涉及兩種粒子類型。關鍵的設計特征是粒子間相互作用的幾何形狀，有利于二十面體的化學鍵網絡的傳播，盡管這導致許多粒子沒有完全結合。該方法不僅為探索IQCs的基礎物理提供了模型系統，還為功能性準晶材料提供了一條潛在的路徑。

Nature：37年前第一個被報道，直到現在才實現構建

圖1 從理想的準晶體到零散粒子設計

Nature：37年前第一個被報道，直到現在才實現構建

圖2 裝配體-心的IQC

圖3 一種零散-粒子原始IQC

圖4 最小準晶-形成系統

綜上，在這里提出的理性設計策略，也可以推廣到具有其他對稱的準晶體中。這就帶來了一種廣泛的前景，不僅可以設計出具有八角形和十角形對稱的軟物質準晶體，而且還可以實現以前從未實現過的對稱——七角形準晶體，這將是一個特別有吸引力的目標。

文獻信息

Noya, E.G., Wong, C.K., Llombart, P.?et al.?How to design an icosahedral quasicrystal through directional bonding.?Nature?596,?367–371 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03700-2

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03700-2#citeas

Nature：37年前第一個被報道，直到現在才實現構建

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