若何用最“简便”的轨则
搭建出最“复杂”的微不雅结构？
这是材料科学范围的一个中枢挑战
复旦大学物理学系、
应用名义物理宇宙重心实验室谭鹏考验与协作家
于北京时分2026年4月1日晚间
以“dual-symmetry-guidedassemblyofcomplexlattice”为题在《当然》（nature）集合发表商量遵循
提倡一种全新的
“对偶对称性率领（dual-symmetry-guided，dsg）”盘算推算范式
这一发现突破了
“复杂材料拼装必须依赖复杂基元”的传统知道
为利用多种物理和化学时刻技巧
制备光子晶体、超导材料等
复杂对称性材料与器件
提供了新的想路
“大路至简”，
突破晶格复杂结构传统知道
在凝合态物理与材料科学中，晶格结构一直是物理学家们的重心关怀对象。它不仅是物资微不雅结构的“骨架”，更是归并微不雅粒子陈设与宏不雅物感性质的桥梁。晶格决定了材料的基人道质——相同由碳原子组成的物体，钻石之是以将强透明、石墨之是以柔嫩导电，根源就在于它们原子陈设神气天壤之隔。
因此，商量若何盘算推算、调控并自愿酿成具有特定对称性的复杂结构晶格，不仅是归并物资世界底层规矩的要道，亦然拓荒超导材料、光子晶体等前沿功能材料的基础。
可是，在微不雅物理系统中，通过从下到上的神气拼装复杂结构，永远以来濒临着一个中枢悖论：按照传统不雅念，要产生复杂的对称结构，必须盘算推算出异常复杂的“定制结构”来彼此作用。比如，引入地方性化学键、盘算推算高度各向异性的颗粒花式，或是径直使用与主意结构一致的物理模板。
这些想路不仅实验要求暴虐，况且易使系统堕入“卡壳”的泥沼，渊博的粒子可能被困在不实的位置上，极难酿成大面积、高质地的好意思满晶格。因此，若何材干用最简便的彼此作用，搭建出最小巧的宏不雅结构，成为了凝合态物理和材料科学范围亟待突破的瓶颈。
面对这一挑战，商量团队跳出了“用复杂彼此作用构筑复杂结构”的传统旅途，从数学与物理的深层几何对称性中吸收灵感，提倡了一种“化繁为简”的“对偶对称性率领（dsg）”新范式。
这一新范式在结合光镊时刻的二维胶体实验和分子能源学模拟中均赢得了考据。团队不仅胜利罢了了9种复杂阿基米德晶格的自拼装，还将该标准实施到了具有8、10、12重旋转对称性的二维非周期准晶结构中，解说了dsg战略的灵验性和普适性。
dsg战略以及在二维胶体实验和分子能源学模拟中的罢了。图片展示了9种阿基米德晶格和三种准晶格，其结构由3，4，6，8，10，12旋转对称单位按特定范例拼装而成，进展出复杂小巧的全局对称性和多圭臬结构特色。
“咱们的遵循为复杂晶格材料的制备提供了一种全新的盘算推算想路。”论文共同第一作家、博士生孙雯想转头，幸运飞艇app下载“通过这一架构，商量东说念主员不错更高效地盘算推算衬底，从而率领主意结构的生成。这不仅镌汰了复杂晶格结构的制备难度，也显赫提高了结构质地。因此，该标准在二维材料、胶体体系、原子分子体系等范围具有泛泛的应用远景。”
利用对偶性质，
罢了复杂晶格自拼装
这项突破性发现的背后，是团队长达六年的探索。初期，团队沿用传统的模版制备标准，但在实践操作中遭受了严重的过错问题，许多粒子卡在不实的位置无法演化，导致最闭幕构不完整。
于是他们启动尝试减少固定点的数目，并不雅察哪些点不错移除而不影响最闭幕构。“通过屡次实验，咱们渐渐发现，在许多复杂晶格中，存在一种内在的‘对偶性’，这些结构不错解析为两组彼此对应的子结构，掌抓其中一组就足以收复全体。”谭鹏先容。
谭鹏
在几何学中，斗鱼app下载对偶性指的是两个点阵之间不错通过某种数学变换逐一双应，二者在结构上是等价的。团队发现，许多复杂晶格自然具有这种对偶结构。具体来说，一个复杂晶格不错分辩为两组子点阵，这两组子点阵之间互为对偶，这意味着淌若掌抓其中一组子点阵的结构信息，就不错通过数学变换推导出另一组，从而完整收复悉数这个词晶格。
图1：(a)建筑荫庇与材料中的复杂对称性晶格结构；(b)复杂晶格的对偶子晶格解析泄漏图；(c-d)基于声-光耦合光镊时刻的二维胶体实验系统；(e)基于“对偶对称性率领”自拼装范式构建的复杂胶体晶格。
更进攻的是，几何的对偶对称性径直反馈在了物感性质上，使由处于两个子晶格点位上的粒子组成的两个子系统具有相称相似的哈密顿量（hamiltonian）结构。他们发现，在拼装经过中，只是需要稀疏地“打下几个要道地基”，锚定其中一个低对称性子晶格，剩余的解放颗粒就可在最简便的纯各向同性彼此作用下，自愿、精确填补到对应的互补子晶格位置，进而重构出宏不雅的复杂主意晶格。
“这让咱们从被迫的‘试错’，转向了主动的‘盘算推算’。”孙雯想解释说念，“咱们不需要限度一起信息，只需精确‘率领’一半，另一半可通过系统能源学自愿完成。这大幅镌汰了复杂结构自拼装的难度和资本。”
除了盘算推算旨趣上的简化，dsg战略在能源学演化上也展现出无可相比的上风。dsg战略通过减少锚定点，奥密地为解放颗粒保留了彼此连通的“解放体积”。这些解放体积就像是系统里面的“高速公路”，使得颗粒大要进行高效的过错弛豫。数值模拟解说，即便在极强的锚定要求下，系统也曾保持了优异的能源学可及性，罢了了晶格的自拼装与自我建设。
多学科交叉协作，
拓展材料盘算推算新范围
这项商量被《当然》审稿东说念主评价为一项“优雅的使命”。其“优雅”之处，正在于用极简的物理旨趣，独霸了极复杂的结构生成，揭示了微不雅彼此作用简便性与宏不雅结构复杂性之间的深层相关。
“对偶对称性率领（dsg）”盘算推算架构不依赖于特定的体系，具有较强的普适性和跨圭臬实施价值。岂论是软物资胶体，照旧纳米光子晶格，这套新范式齐能适用，以致可通过分层战略从二维平面实施到三维结构。它让东说念主们不错借助物理、化学等多种时刻技巧，去制备功能丰富的复杂材料和器件，从而开辟了浩荡的盘算推算空间和全新的航说念。
多学科交叉为团队“匠心独具”提供了滚滚不停的灵感。一方面，“对偶对称性”的索取与行使，实践上是几何与图论在物理问题中的应用；另一方面，在商量中，实验使用到的胶体体系、合成标准以及最终酿成的复杂晶格与化学密切相关。这种卓越物理、数学与化学的深度协作，为他们突破传统自拼装的局限注入了能源。
当今，团队正尝试行使ai，在悉数可能的材料衬底中自动筛选出最优结构，进一步进步盘算推算遵循。他们但愿将对偶对称性战略与能源学商量相结合，探索其对无序复杂体系能源学动作的调控才略，将这一盘算推算范式实施至三维复杂晶格以偏激他类型的准晶结构。
“折服跟着这一范式的实施，它在复杂功能材料的可限度备中将表现越来越进攻的作用。”团队期待，该遵循的应用远景不局限于物理范围，而是为二维材料、胶体体系等范围开辟全新旅途。
谭鹏课题组合影
复旦大学物理学系、应用名义物理宇宙重心实验室谭鹏考验，东京大学hajimetanaka考验与南京大学马余强院士为论文共同通信作家。复旦大学物理学系博士后方煌、博士毕业生李晓天、博士生孙雯想为论文的共同第一作家。复旦大学黄吉平考验，博士生王承鑫、陈诺和本科毕业生甘依宁共同参与。本商量使命赢得了国度当然科学基金委员会、中国载东说念主航天工程、上海市赞成委员会、上海市科学时刻委员会、江苏省当然科学基金委员会及日本学术振兴会的资助与相沿。
论文贯串：
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10364-3
物理学系
组稿
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笔墨
邓晗殷梦昊
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胡新鹏受访者提供
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责编
殷梦昊
上不雅号作家：复旦大学斗鱼app
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