在材料科學(xué)領(lǐng)域，如何以最基礎(chǔ)的規(guī)則構(gòu)建出高度復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，始終是科研人員探索的核心課題。近期，一項(xiàng)發(fā)表于《自然》的研究提出全新設(shè)計(jì)范式，通過(guò)“對(duì)偶對(duì)稱性引導(dǎo)”策略，突破了傳統(tǒng)認(rèn)知中“復(fù)雜結(jié)構(gòu)需復(fù)雜基元”的局限，為制備光子晶體、超導(dǎo)材料等前沿功能材料開(kāi)辟了新路徑。

晶格結(jié)構(gòu)作為物質(zhì)微觀排列的“骨架”，直接決定了材料的宏觀性質(zhì)。例如，碳原子因排列方式不同，可形成堅(jiān)硬透明的鉆石或柔軟導(dǎo)電的石墨。然而，自下而上組裝復(fù)雜晶格長(zhǎng)期面臨悖論：傳統(tǒng)方法需依賴高度定制化的相互作用，如方向性化學(xué)鍵或特殊顆粒形狀，但這些手段不僅實(shí)驗(yàn)條件嚴(yán)苛，還易導(dǎo)致粒子錯(cuò)位，難以形成高質(zhì)量大面積結(jié)構(gòu)。如何用簡(jiǎn)單規(guī)則實(shí)現(xiàn)精密組裝，成為制約領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

研究團(tuán)隊(duì)從數(shù)學(xué)與物理的深層對(duì)稱性中尋找突破口，提出“化繁為簡(jiǎn)”的“對(duì)偶對(duì)稱性引導(dǎo)”范式。該策略的核心在于發(fā)現(xiàn)復(fù)雜晶格中普遍存在的內(nèi)在對(duì)偶性——結(jié)構(gòu)可分解為兩組互為映射的子晶格。通過(guò)錨定其中一組低對(duì)稱性子晶格，剩余粒子在純各向同性相互作用下，能自發(fā)填補(bǔ)至互補(bǔ)位置，最終重構(gòu)出完整目標(biāo)結(jié)構(gòu)。這一過(guò)程如同搭建建筑時(shí)僅需固定關(guān)鍵支柱，其余部分可依靠結(jié)構(gòu)自身邏輯自然成型。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，團(tuán)隊(duì)結(jié)合光鑷技術(shù)與分子動(dòng)力學(xué)模擬，在二維膠體體系中成功實(shí)現(xiàn)9種阿基米德晶格及8、10、12重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱準(zhǔn)晶的自組裝。數(shù)值模擬顯示，即使錨定點(diǎn)稀疏，系統(tǒng)仍保持高效的動(dòng)力學(xué)可及性，粒子可通過(guò)“自由體積”快速完成缺陷修正，實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)。這一發(fā)現(xiàn)表明，簡(jiǎn)單相互作用與復(fù)雜結(jié)構(gòu)之間存在深層關(guān)聯(lián)，為理解物質(zhì)世界底層規(guī)律提供了新視角。

該范式的普適性是其另一大亮點(diǎn)。研究證實(shí)，無(wú)論是軟物質(zhì)膠體、納米光子晶格，還是潛在的三維結(jié)構(gòu)，均可通過(guò)分層策略推廣應(yīng)用。例如，在膠體實(shí)驗(yàn)中，粒子在聲-光耦合光鑷的引導(dǎo)下，按特定順序排列成具有多尺度特性的復(fù)雜晶格；在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，系統(tǒng)通過(guò)減少錨定點(diǎn)，為自由粒子保留連通空間，使其能高效完成結(jié)構(gòu)演化。這些成果顯示，新策略可跨物理、化學(xué)體系，顯著降低復(fù)雜材料制備的難度與成本。

多學(xué)科交叉為研究注入創(chuàng)新動(dòng)力。對(duì)偶對(duì)稱性的提煉融合了幾何圖論與物理問(wèn)題，而膠體體系的選擇與合成方法則依賴化學(xué)知識(shí)。這種跨領(lǐng)域合作模式，幫助團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)自組裝的局限，將數(shù)學(xué)對(duì)稱性轉(zhuǎn)化為可操作的物理設(shè)計(jì)原則。目前，研究團(tuán)隊(duì)正探索將人工智能技術(shù)引入材料篩選，通過(guò)自動(dòng)優(yōu)化襯底結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)效率。

論文指出，新范式不僅適用于二維材料，還可通過(guò)擴(kuò)展策略應(yīng)用于三維復(fù)雜晶格及無(wú)序體系的動(dòng)力學(xué)調(diào)控。隨著研究的深入，這一方法有望在超導(dǎo)材料、光子器件等領(lǐng)域催生更多突破，為功能材料的可控制備提供全新工具箱。