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香港中文大學 （中大） 物理系教授徐磊教授和博士後研究員沈鴻川博士，近日聯同中國及日本的科學家，發現了材料結構形成的全新範例。在這範例下，粒子形狀對體系靜態結構的影響極為輕微，但卻決定了系統的弛豫動力學。此項發現有助理解材料的結構形成、自行組裝和堆積，為將來設計新材料，以及調節其軟硬及可塑度提供了新方向。該項研究最近已於著名科學期刊《自然．通訊》（Nature Communications）發表。 

新發現打破傳統對系統結構形成的認識 

如何用同一種結構單元（粒子）填滿整個空間，是理解如何在凝聚態物理學中實現特定固體結構、於材料力學中製造新的自行組裝結構，甚至在生物學體系中產生複雜生物群落和群組的關鍵問題。 

以往絕大部份研究均使用短程相互作用的粒子。在這情況下，當粒子改變形狀時，其系統結構將相應地發生改變，不同形狀的粒子會產生不同的系統結構。徐磊教授和他的團隊發現，當粒子之間的相互作用變成長程時，這種「常規」即會被打破。他們揭示在廣泛的密度區間內，有「六角形塑膠晶體」這種統一的結構狀態存在於各種多邊形粒子系統中，如六邊形、五邊形、正方形及三角形等。這一發現揭示，在長程相互作用這種新狀況下，系統結構不再依賴於粒子形狀的獨特性質。

發現粒子形狀控制弛豫新機制 

研究團隊發現雖然粒子形狀對系統的靜態結構的影響不大，但對系統弛豫有重大的影響；在外部擾動下，不同形狀的粒子展現不同的弛豫過程。這項研究首次揭示了此過程由多邊形粒子所產生的「內部粗糙程度」所控制。其中，一般只出現於準晶體中的缺陷環的新弛豫機制，亦於三角形組成的晶體結構出現，此為出乎預料之外的發現。 

發現的影響和應用 

這項研究為解釋塑膠晶體中的弛豫行為提供了一個基本藍圖，並有助解釋廣泛存在的正方晶格冰晶和自旋受挫晶格的弛豫過程。它甚至可以擴展到更無序的系統如金屬玻璃材料中，並有助解釋其高堅硬度和低塑性。徐磊教授表示：「由於金屬玻璃的內部粗糙度非常大，其內部結構基本已被鎖定，難以進行移動及弛豫。我們的發現可以協助解釋為何無序金屬玻璃比有序晶體有更高的堅硬度和更低的塑性，並為日後設計新材料，以及調節其軟硬及可塑度提供了新方向。」 

這項獲香港研究資助局、中國國家自然科學基金和上海明日之星計劃支持的研究，主要由中大傑出的博士後研究員沈鴻川博士進行，並在中大物理系徐磊教授和復旦大學物理系譚鵬教授的共同指導下完成。徐磊教授的軟物質物理實驗室致力研究日常生活中的常見現象，比如液滴飛濺、水珠結冰及油漆變乾等現象，並從中發掘新物理和新材料，以改善人類的日常生活。