你聽說過旋轉晶格嗎？

材料牛注： 單晶可以在玻璃上生長而不熔化玻璃嗎？Lehigh大學的科學家與勞倫斯伯克利國家實驗室合作，已經制作出了具有旋轉晶格的單晶。

Lehigh大學的科學家與勞倫斯伯克利國家實驗室合作，通過使用激光加熱技術完成了他們命名為新型結晶固體的制造。該技術誘導原子組織成旋轉晶格而不影響固體的宏觀形狀 。

通過控制晶格的旋轉，研究人員說，他們將能夠制造一種新型的合成單晶和“生物啟發”材料，模擬特殊生物礦物的結構及其優異的電子和光學性能。

該團隊11月3日在Nature Reports（一家Nature的子刊）上發表了一篇題為“Rotating lattice single crystal architecture on the surface of glass”的文章。該論文的主要作者是Lehigh大學的材料科學和工程系的研究科學家Dmytro Savytskii。

其他作者還有Lehigh大學的物理系的榮譽教授和主席Volkmar Dierolf；工程與應用科學T.L.鉆石杰出主席以及Lehigh大學的材料科學與工程教授Himanshu Jain；加州伯克利勞倫斯伯克利國家實驗室的Nobumichi Tamura。

旋轉晶格單晶（RLS）晶體的生長遵循Scientific Reports?中3月報道的發現，其中Lehigh大學研究組第一次證明單晶可以從玻璃生長而不熔化玻璃。

在典型的結晶固體中，原子在晶格中規則重復或呈周期性三維結構排列。 從左到右，從上到下，從前到后任何角度都能看到晶體特定的周期性排列。相比之下，玻璃則具有無序原子結構的無定形材料。

因為它們在互連晶體之間沒有晶粒邊界，所以單晶材料通常具有優異的機械，光學和電學性質。單晶結構使鉆石有很高的亮度，也使噴射渦輪葉片具有對機械力的抵抗力。并且制造硅芯片的硅單晶賦予其作為微電子學基礎的優良導電性能。

Jain和Dierolf說，旋轉晶格單晶中的周期性或重復模式，不同于典型單晶中的周期性。

Jain說：“我們發現，當我們從玻璃中生長出水晶時，周期性并不一樣。在一個方向上，它看起來很完美，但是如果你轉過格子，從不同的角度看它，你就會看到整個結構是旋轉的。”

Dierolf說：“在典型的單晶材料中，一旦知道模式如何重復并知道一個原子的精確位置，就可以預測每個原子的精確位置。因為單晶具有長程有序的特點。

“但是，當我們用玻璃生長RLS晶體時，我們發現周期性并不相同。為了預測每個原子的位置，不僅要知道某個原子的精確位置，還需呀知道晶格旋轉的角度。

“因此，我們必須稍微修改單晶的教科書定義。”如Jain所述，旋轉以原子尺度發生，并且不影響玻璃材料的形狀。 “只有原子鏈發生彎曲，而不是整個材料，我們可以用X射線衍射看到晶格的的彎曲。

為了實現這種旋轉，研究人員用激光器加熱固體玻璃材料的表面非常小的一部分，這使得原子變得更靈活。

“原子想要排成直線，但周圍的玻璃不允許這樣。”Jain說，“相反，作為固體的玻璃迫使原子的構型彎曲，原子移動并嘗試組織成晶格。理想情況下會形成完美的單晶，但玻璃阻止完全晶體形成并迫使原子排列成旋轉晶格。在微米尺度上旋轉平滑地發生。

“我們的激光讓晶體的生長產生一定程度的不對稱性。我們控制加熱源的不對稱性，將這種旋轉模式施加到原子上。”該團隊控制加熱量的能力對旋轉晶格的形成至關重要，Jain說。

“旋轉原子晶格創建的關鍵是它形成時不會熔化玻璃。熔化會給原子運動太多自由，不能控制晶格的組織。”

“我們加熱玻璃的方法克服了這一點，我們只加熱玻璃表面，而不是內部加熱。這是非常精確、非常局部的加熱，它只引起原子的有限運動，它允許我們控制原子晶格的彎曲。”

Jain和Dierolf說，在海洋中的某些生物礦物中也曾觀察到旋轉晶格；它也可能在一些天然礦物中以非常小的規模發生，如球晶。

“但是此前沒有人以一種可控的方式在更大的規模上做到這一點，而我們已經利用不對稱的激光實現了這一點。”Jain說。

“科學家以前不能理解這種現象，因為他們不能在足夠大的規模上觀察到它。我們是第一個使用激光在有效無限維度上誘導這種現象發生的人。”Jain和Dierolf及其團隊正在計劃進一步研究以提高其操縱原子排序的能力。

研究人員在Lehigh大學對玻璃進行激光加熱，并在勞倫斯伯克利國家實驗室的同步加速器上用微x射線衍射對玻璃進行表征。他們計劃用Lehigh大學的電子顯微鏡并在伯克利進行進一步的表征。

該項目由美國能源部資助了六年。“這是一種制作單晶的新方法。”Dierolf說，“它通過創造具有獨特、新穎屬性的材料打開了一個新的領域。”

原文鏈接: Scientists fabricate a new class of crystalline solid

文獻鏈接：Rotating lattice single crystal architecture on the surface of glass

本文由編輯部楊超供稿，時冰遙翻譯，點我加入材料人編輯部

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