https://www.dprenvip.com/wp-content/uploads/2025/10/large-12.png准晶体的结构可以通过两种菱形瓷砖（深蓝色和黄色）的堆积来说明。这种图案能无间隙地填充空间，并产生局部五重旋转对称性，但不存在长程位置有序。在真实的准晶体中，原子可能以某种方式排列在每个瓷砖内部，例如位于瓷砖的角落。
当生长中的晶体遇到障碍物时，原子的有序排列可能不得不进行调整，从而产生晶格缺陷或大规模重排。但一个研究团队通过实验发现，被称为准晶体的特殊材料能够从容应对这种干扰。准晶体晶格有序但非周期性，由于一种准晶体特有的重排方式，它能够在不牺牲其有序性的情况下容纳障碍物。这项研究表明，有可能制造出比传统合金更耐用的准晶体金属合金。
准晶体于1984年被发现，通常是由铝、镍和锰等金属组成的化合物。X射线衍射似乎表明，它们的原子晶格具有传统晶体所不允许的对称性，如五角或十角对称性。但这些对称性可以存在于小区域内，因为准晶体不是传统晶体，无法将原子晶格在空间中平移后与原始晶格完全重合。
如果规则晶体在生长过程中遇到干扰其有序晶格的物质，例如杂质原子，周期性的破坏可能会在晶体中传播很长距离。这可能导致大规模缺陷，如位错或不同取向晶格之间的晶界。这些缺陷可能成为易失效的薄弱点。
先前的研究表明，由于准晶体没有完美的周期性秩序，它们可以通过局部重排晶格来适应这种干扰，而不会产生长程连锁反应。密歇根大学安娜堡分校的莎伦·格洛泽及其同事想知道准晶体的这种适应性能达到何种程度。它能否使生长中的材料即使面对大型、延伸的障碍物也能调整其结构？
准晶体结构通常用二维空间中堆积在一起的几何“瓷砖”（例如原子位于角落）来描述。例如，可以放置两种菱形瓷砖，使其无间隙地填满一个表面，这种图案产生了准晶体“禁止”的对称性。如果其中一块瓷砖被迫改变其取向，例如由于晶格中的杂质原子，仅需少数相邻瓷砖的重排可能就足以适应新结构。构成瓷砖的原子的这种集体重新排列被称为相位子。团队成员阿什温·沙哈尼表示，由于相位子，“准晶体具有一种普通晶体所没有的结构灵活性，它们可以调整排列以局部修复错配，吸收干扰或应变”。
为了研究相位子能够容纳多大的干扰，密歇根团队研究了直径10微米的孔洞穿过铝、钴和镍（Al₇₉Co₆Ni₁₅）的十角准晶体时的影响。当金属和合金从液态冷却时，经常会产生这样的孔洞，因为它们可以缓解固体相对于液体体积较小而产生的应变。研究人员使用X射线显微断层扫描技术观察准晶体，该技术结合了样品在许多不同取向的X射线图像以创建三维图像。
他们发现，随着准晶体的生长，孔洞能够被容纳，且没有任何缺陷迹象。沙哈尼说：“我们看到晶体前沿平滑地包裹着孔洞，没有留下持久的‘凹痕’或不规则之处，这表明任何内部干扰都能迅速得到解决。”
在分子动力学模拟中，格洛泽的团队发现，孔洞周围的生长最初会在孔洞另一侧两个生长前沿碰撞的地方产生一个缺陷。但相位子类型的重排可以迅速“修复”这种干扰。
沙哈尼说：“我们观察到的自修复行为表明，理论上准晶体可以形成更能容忍孔洞等障碍物的材料。”这些障碍物“在大规模铸造和制造中往往不可避免”。他说，这可能使它们在需要在恶劣条件下具有高耐久性的应用中发挥作用，例如暴露于机械磨损或腐蚀的环境中。他补充说，即使材料凝固后，相位子驱动的修复也可能发生，尽管这种修复会更慢。
德国埃尔朗根 – 纽伦堡大学的迈克尔·施密德伯格表示，这项工作在展示相位子如何不仅能修复生长过程中产生的局部缺陷，还能应对非常大的干扰和障碍物方面迈出了“重要的一大步”。他说：“由此产生的生长和修复机制可能导致材料特性，这些特性对于诸如自适应甚至自修复材料等应用可能变得很重要。”
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