南京大學馬余強院士與合作者最新成果登《Nature》

4月1日，南京大學物理學院馬余強院士、東京大學Hajime Tanaka教授、復旦大學物理系譚鵬教授為論文共同通訊作者在全球頂級科研期刊《Nature》發表題為“Dual-symmetry-guided assembly of complex lattice”的研究論文。

研究團隊首次提出了一種全新的“對偶對稱性引導（Dual-Symmetry-Guided, DSG）”設計范式，破解了利用簡單各向同性相互作用構筑復雜多尺度對稱性結構的長期物理難題。

打破直覺悖論：自下而上的“復雜性”困境

在自然界與人造物質世界中，晶格的對稱性是決定材料物理性質（如拓撲光子態、聲學帶隙、力學響應等）的核心基石。兼具低階和高階旋轉對稱性的復雜結構，構成了眾多前沿超導材料和超材料的幾何框架。

然而，在微觀物理系統中，通過自下而上的方式組裝這些復雜結構，長期以來面臨著一個核心悖論：要產生復雜的對稱結構，傳統觀點認為必須依賴極度復雜的“定制化”相互作用——例如引入方向性化學鍵、設計高度各向異性的顆粒形狀，或是直接使用與目標結構一致的物理模板。這種思路不僅實驗條件苛刻，而且易使系統陷入“動力學阻挫”的泥沼，導致大量缺陷被凍結，極難形成大面積、高質量的完美晶格。如何在“簡單的物理相互作用”與“復雜的宏觀對稱性”之間建立可靠的橋梁，成為了凝聚態物理和材料科學領域亟待解決的瓶頸。

大道至簡的哲學：幾何對偶的自組裝密鑰

面對這一挑戰，研究團隊跳出了“用復雜相互作用構筑復雜結構”的傳統路徑，從數學與物理的深層幾何對稱性中汲取靈感，提出了一種具有普適性的“對偶對稱性引導（DSG）”新范式。

在自組裝策略中引入對偶性的核心思想在于“化繁為簡”。在數學中，對偶是一種結構性映射法則，在看似不同的數學結構之間建立完全的一一對應關系。具體到圖論與幾何中，一類典型的對偶是通過沃羅諾伊圖（Voronoi tessellation）建立兩個離散點集之間的映射。研究團隊敏銳地指出，許多復雜對稱結構都具有幾何自對偶性（geometric self-duality），可以分解為兩個互為對偶、對稱性更低且尺度更大的子晶格——這意味著目標結構的對稱性信息可以無損地存儲于單一子晶格中，從而降低組裝的復雜度。

更重要的是，幾何的對偶對稱性直接反映在了物理性質上，使由處于兩個子晶格點位上的粒子構成的兩個子系統具有非常相似的哈密頓量（Hamiltonian）結構。研究團隊發現，在組裝過程中，僅僅需要稀疏地“打下幾個關鍵地基”，錨定其中一個低對稱性子晶格，剩余的自由顆粒就可在最簡單的純各向同性相互作用下，自發、精準填補到對應的互補子晶格位置，進而重構出宏觀的復雜目標晶格。

這一新范式在結合聲-光耦合光鑷技術的二維膠體實驗和分子動力學模擬中均得到了驗證。研究團隊不僅成功實現了9種復雜阿基米德晶格的自組裝，還將該方法推廣到了具有8、10、12重旋轉對稱性的二維非周期準晶結構中，證明了DSG策略的有效性和普適性。

圖1：(a) 建筑裝飾與材料中的復雜對稱性晶格結構；(b) 復雜晶格的對偶子晶格分解示意圖；(c-d) 基于聲-光耦合光鑷技術的二維膠體實驗系統；(e) 基于“對偶對稱性引導”自組裝范式構建的復雜膠體晶格。

逾越動力學鴻溝：保留系統弛豫的“自由體積”

除了在物理設計原理上的簡化，DSG策略在動力學演化上也展現出無可比擬的優勢。研究揭示，傳統的全模板錨定策略會扼死結構的弛豫自由度，導致系統陷入含有缺陷的局部能量極小值；而DSG策略通過減少錨定點，巧妙地為自由顆粒保留了相互連通的“自由體積”。這些自由體積就像是系統內部的“高速公路”，使得顆粒能夠進行高效的缺陷弛豫。數值模擬證明，即便在極強的錨定條件下，系統依然保持了優異的動力學可及性，實現了極低能壘的自我修復與自組裝。

跨越尺度的意義：解耦復雜性，

拓展材料設計新邊界

這項工作在理論與實驗層面解耦了“宏觀結構復雜性”與“微觀相互作用各向異性”之間的強綁定關系。它打破了學界對于復雜材料組裝必須依賴復雜基元的傳統認知，證明了無需復雜的基元間作用，同樣可以得到極度復雜的對稱結構。

基于對偶對稱性的自組裝策略不依賴于特定的體系，具有較強的普適性和跨尺度推廣價值。從軟物質膠體到嵌段共聚物網絡、納米光子晶格，乃至原子級別的外延生長，甚至可通過分層策略從二維擴展至三維結構構建，該新范式為利用多種物理和化學技術手段制備多功能復雜對稱性材料與器件，開辟了廣闊的設計空間與全新的航道。

編輯、審核：艾克旦

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