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哈工大(深圳)学者发现新型晶体结构,研究成果在《Physical Review Letters》上发表
发布时间:2020-06-17 12:24:19 2083

【哈工大(深圳)宣】(理学院/文)哈尔滨工业大学(深圳)学者研究椭球在圆管中的最密堆积排列时,发现了多种有趣的晶体结构,论文在物理学权威期刊《Physical Review Letters》上发表,并获选为该期刊的编辑推介(Editors’ Suggestion)。哈工大(深圳)理学院为论文的唯一完成单位,论文作者为哈工大(深圳)金炜炜博士(通讯)、陈浩基副教授(通讯)、仲政教授。该研究获得了国家自然科学基金、深圳市基础研究项目、深圳市引进人才科研启动经费、中国博士后科学基金的支持。

牵头该项研究的陈浩基称,颗粒在空间中的最密堆积排列跟物理学中的晶体结构有着密切的关系,前者可以作为后者的理论模型。广为人知的例子包括面心立方与密排六方这两种在三维无限空间中的等积球体最密堆积结构。

近二十年,等积球体在圆管受限空间中的最密排列引起了物理学家的兴趣。这类柱状晶体随着圆管与球体的直径比改变,而目前在直径比从1到4的小范围内,已有接近60种晶体结构被发现,其中大部份的结构都是螺旋形的。这些通过模拟退火等计算方法所获得的最密堆积排列,可以用来描述多种实验系统的晶体结构,例如纳米碳管中的C60富勒烯碳球、纳米通道中的共聚物、胶体晶体线、毛细管中的热响应微球、毛细管中的微气泡、流体驱动的聚合物自组装、圆管中的染色体状聚合物。

在实验系统中,颗粒可以是大小不同,也可以是非球形。这些额外的自由度对相关的最密堆积排列产生什么影响,是一个有趣而重要的物理问题。哈工大(深圳)三位学者将研究对象延伸至等积的旋转椭球,新增的参数为旋转椭球的长宽比。他们在一个小的参数范围内共发现了3种螺旋形结构与4种非手性结构,而这些结构都是呈现比较有趣的位置序和取向序。在螺旋形结构中,椭球在圆管曲面较大的影响下,出现多个不同的取向。而在非手性结构中,椭球在其形状各向异性较大的影响下,只出现少数特定的取向。

通过堆积问题所发现的晶体结构,除了可以成为研发新材料的理论基础外,也有望为建筑设计或艺术创作带来新灵感。例如北京水立方外表面上的那些“泡泡”形状,源于一个接触界面最小化的Weaire-Phelan泡沫结构,此结构为著名“开尔文问题”目前所知的数学解。(编辑 谢梁晖)

论文链接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.248002

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椭球在圆管中的最密堆积晶体结构