我们周围的许多物质，从食盐、糖到大多数金属，都排列成晶体。因为它们的分子是按照有序的、重复的模式排列的，所以对它们的结构已经了解了很多。
然而，大量的物质——包括橡胶、玻璃和大多数液体——自始至终都缺乏这种基本的顺序，这使得很难确定它们的分子结构。迄今为止，对这些无定形物质的理解几乎完全基于理论模型和间接实验。
加州大学洛杉矶分校领导的一个研究小组正在改变这一现状。利用他们开发的一种绘制原子三维结构的方法，科学家们直接观察到原子是如何在无定形材料样品中被包裹的。今天发表在《自然材料》(Nature Materials)杂志上的这一发现，可能会迫使人们重写传统的模型，并为未来使用这些物质的材料和设备的设计提供信息。
“我们相信,这项研究将会产生非常重要的影响未来的理解非晶态固体和液体——这是地球上最丰富的物质之一,”说,该研究的资深作者,健胃苗族“约翰”,加州大学洛杉矶分校的物理学与天文学教授,加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的一员。“了解其基本结构可能会导致技术的巨大进步。”
从1952年英国物理学家弗雷德里克·查尔斯·弗兰克(Frederick Charles Frank)的工作开始，科学界普遍认为，液体或无定形固体中的原子和分子通常可以组合成13个一组。该模型认为，它们的结构是这样的:一个中心的原子或分子被另外12个原子或分子包围着——两个由5个环组成的环围绕着中心的粒子，另一个环覆盖在顶部，另一个覆盖在底部。
为了模拟原子或分子簇如何在更大的尺度上组合在一起，科学家们把这13个粒子组概念化为一个3D形状，将每个外层粒子作为一个角，并将这些点连接起来，形成一个有20个三角形面(称为二十面体)的立体，这是《龙与地下城》玩家所熟悉的20面骰子的形状。
不过，缪思和他的同事们发现了一些不同的情况。
该团队利用原子电子断层扫描技术分析了三种非晶态金属物体。这是一种强大的成像方法，将电子射向一个样品，并在电子通过时测量它们，在样品旋转时多次捕获数据，这样计算机算法就可以构建一个3D图像。
研究人员发现，只有非常小的一部分原子形成了由13个原子组成的二十面体群。相反，最常见的排列方式是一组7个原子，其中5个在中心层，一个在上，一个在下，没有中心原子——研究人员将这种形状描述为一个五角形双金字塔，有10个三角形面。他们还观察到，这些五角形双金字塔形成了网络，这些网络的边缘通常是共享的。
缪思说:“自从弗兰克的论文发表以来，科学界一直相信二十面体顺序是液体或非晶态固体中最重要的结构基元。”但到目前为止，还没有人能够绘制出所有原子的位置并加以验证。我们发现五角形双锥体是最常见的母题。大自然似乎更喜欢7组合。”
这种组合的优势在研究人员所研究的样品中是一致的，为了简单起见，他们选择了在基本尺度上以单原子形式存在的材料。被检测的材料是一种由钽制成的薄膜，钽是一种用于电子元件的稀有金属，以及两种由钯制成的纳米颗粒，钯是一种对降低汽车尾气毒性的催化转换器很重要的金属。
研究小组还用他们的实验数据作为计算机模拟的基础，模拟了当钽被熔化然后迅速冷却，导致晶体不形成时，会发生什么，从而产生所谓的金属玻璃。在模拟中，钽的原子同样更频繁地排列成五角形双金字塔的网状结构，无论是液体还是玻璃。
这些发现可能会促使人们重新思考我们周围世界的科学物理模型的某些方面。由于非晶材料被集成到特定的半导体和许多设备中，包括太阳能电池板，这项研究可能是一个早期的步骤，以替代试验和错误的有目的的设计，这些材料涉及。
“这项工作，以及我们最近在《自然》杂志上发表的关于非晶体材料的论文，在影响上可能可以与一个多世纪前科学首次揭示盐晶体的三维原子结构相媲美，”缪思说。
