南京大學(xué)物理學(xué)院孫建教授團(tuán)隊(duì)與外國(guó)科研人員合作，在石墨烯夾層中發(fā)現(xiàn)了一種全新的原子排列結(jié)構(gòu)，改寫(xiě)了氦等簡(jiǎn)單元素只有“最密堆積結(jié)構(gòu)”的認(rèn)知，闡釋了物質(zhì)“從二維到三維”的演變規(guī)律。

《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》4月22日在線發(fā)表了相關(guān)成果。

孫建介紹，如果用大量規(guī)格相同的玻璃珠裝滿玻璃瓶，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這些玻璃珠在每一層都呈現(xiàn)出蜂窩狀的正六邊形結(jié)構(gòu)，這在數(shù)學(xué)上被稱為“最密堆積結(jié)構(gòu)”。

由于這種結(jié)構(gòu)的空間利用率最高，科學(xué)界一度認(rèn)為，即便在白矮星那樣超高溫、超高壓的極端環(huán)境中，氦這樣的簡(jiǎn)單元素也只能形成這種結(jié)構(gòu)。

此次研究中，團(tuán)隊(duì)運(yùn)用自主開(kāi)發(fā)的人工智能驅(qū)動(dòng)軟件，分析了氦、氖、氬三種稀有氣體以及金屬鋁在石墨烯夾層中的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)了不同于“最密堆積結(jié)構(gòu)”的新型晶體結(jié)構(gòu)?！昂?jiǎn)言之，它的每一層不是正六邊形，而是正四邊形。”孫建說(shuō)。

讀圖順序從左往右，同一層氦原子用同一種顏色表示。這組示意圖描述的是，在兩層石墨烯（用棕色鏈球表示）限制下，氦原子的結(jié)構(gòu)從二維向三維演化，每一層內(nèi)部呈現(xiàn)出從正六邊形向正四邊形演變的特征。（南京大學(xué)供圖）

論文通訊作者之一、2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者邁克爾·科斯特利茨表示，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，石墨烯夾層中的物質(zhì)逐漸熔化，表現(xiàn)出一種不同于常規(guī)固態(tài)和液態(tài)的新?tīng)顟B(tài)?！拔覀冞^(guò)去只在單層氦原子等二維系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)過(guò)類(lèi)似特性，通過(guò)此次研究，我們將這一規(guī)律拓展到了多層體系?！?/p>

“新結(jié)構(gòu)、新?tīng)顟B(tài)，預(yù)示這些材料可能具有新奇的性質(zhì)，有待科學(xué)界繼續(xù)探究?！睂O建說(shuō)，此次研究揭示了物質(zhì)“從二維到三維”演變過(guò)程中的物理行為與底層機(jī)制，為今后開(kāi)發(fā)前沿技術(shù)提供了重要理論參考。