从“一块石头”到准晶:平面密铺与材料科学中的“对称”要素

作者: 李可扬 汪子丁 李玉尧

来源: 探臻科技评论

发布日期: 2023-05-09 12:49:25

本文介绍了数学家Craig Kaplan发现的一种非周期单密铺形状“一块石头”,并探讨了密铺与材料科学中的对称性问题,特别是准晶的应用。

北京时间2023年3月21日上午,来自加拿大滑铁卢大学的数学家Craig Kaplan在数学社交平台Mathstodon上宣布,他与几名其他研究者共同找到了一个非周期(aperiodic)的单密铺形状,被称为“一块石头”(德语为“ein Stein”)。

什么是密铺?所谓密铺,就是用形状、大小完全相同的平面图形进行拼接,使彼此之间不留空隙、不重叠地铺成一片。据悉,这一单密铺图形是由一位打印工程师David Smith最初发现的。作为一位数学爱好者,Smith尤其喜欢使用各种独特的凹/凸多边形图案进行拼图游戏。

在这之前,对于“一块石头”问题的最优解法是使用两种形状,即大名鼎鼎的彭罗斯镶嵌(Penrose tiling)。20世纪70年代中期,英国数学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)仅利用两种图案(一宽一窄的菱形)就拼出了非周期性的马赛克图案,且菱形数量比为黄金分割比。

对晶体结构的认识与几何上的密铺问题是分不开的。对于非周期性密铺,除了纯粹数学上的研究和探索外,其另一重大应用体现在了材料科学领域中:非周期性结构可以用于设计新型材料的结构和性能等,其中最广为人知的便是准晶(Quasicrystal)。

什么是准晶?1982年以色列科学家Dan Shechtman在研究一块快速降温的方式获得的高强度铝-锰合金时,在电子显微镜下观察到了一种违反了当时材料科学基本原理的现象:一系列的由十个等距亮点组成的同心圆,这意味着一种极不可能的对称性。在当时的科学条件下,人们证明了上述具有十个点的结构是不可能的,且十重对称已经被用严格的数学证明推导出来在晶体中不存在。

自从1982年发现以来,数以百计的准晶被科学家们所合成出来。准晶的不粘性能和坚硬特质使其成为制作烹饪用具涂层的良好材料,广泛地被人们使用。准晶材料还具有良好的隔热性,将准晶材料与其他材料混合使用,可以制得高强度的复合材料。此外,由于具有二十面体的特殊结构,准晶对称性和电阻率都较高,有望在软磁材料领域大展身手。

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