2026年5月28日——通过使用精心调控的纳米级构建模块，来自布朗大学和密歇根大学工程学院的研究人员稳定了一种此前仅在理论预测中存在的物质结构瞬态相，这在物理材料中尚属首次实现。

这种新型纳米粒子超晶格，其研究成果发表在《科学》杂志上，冻结了自然界两种最常见晶体金属排列方式之间一种难以捕捉的中间状态。除了揭示了这种相变过程的新细节外，这种新结构还展现出非凡的光学特性，可能对量子计算或其他量子信息系统有所助益。

更广泛地说，这项工作为利用定制形状的纳米粒子来设计具有特定性能的全新材料类别，提供了一种新方法。

布朗大学化学副教授、该研究的通讯作者Ou Chen表示：“我们的工作有点像孩子们玩乐高积木。我们合成独特的纳米级构建模块，然后将它们堆叠成有趣的结构。在这个案例中，我们成功稳定了这些理论上存在的过渡结构，并展示了重要的量子光学特性。”

许多金属的晶体结构属于两大类之一：面心立方（FCC）或体心立方（BCC）。FCC是球形粒子最紧密的堆积排列方式。当球状粒子堆叠在一起时，它们倾向于排列成重复的立方体图案，每个角上有一个粒子，每个立方体面的中心有一个粒子。BCC的排列则稍微松散一些：立方体的每个角上都有一个粒子，但在立方体的体心（而不是每个面的中心）有一个粒子。大致来说，这就是金属晶体中原子的排列方式。

随着温度升高，一些金属会在两种结构之间发生转变。例如，铁在加热到912摄氏度时，会从BCC转变为FCC。对于这种转变过程如何发生，已有几种路径被提出。其中一种，即西山-瓦瑟曼路径，提出了FCC和BCC之间的一系列过渡相，这些过渡相由于对称性较低而更加短暂。正是这些转瞬即逝的“中间”相，被这项新研究利用银纳米粒子成功复现。

该研究的合著者、在密歇根大学Sharon Glotzer实验室工作的助理研究员Tim Moore说：“材料科学家长期以来一直关心如何控制金属中FCC和BCC的比例，但由于这些过渡相极不稳定，研究它们之间的转变一直很困难。能够观察到这些结构是材料科学领域的一项基础性突破，也让我们对纳米材料工程有了更强的控制力。”

为了实现这一目标，Chen及其同事合成了形状为截角八面体（或称“mecons”）的银纳米粒子——这是一种菱形形状，每个顶点都被切掉，形成一个具有14个面的固体。Chen表示，这种形状很有趣，因为它介于立方体和球体之间，而立方体和球体具有不同的堆积行为。通过改变合成粒子过程中的热量，由研究高级科学家、该研究第一作者Yasutaka Nagaoka领导的Chen团队，创造出了一系列处于从更圆到更立方这个连续区间内的mecon形状，并用长而粘性的分子包裹它们，这些分子有助于将粒子结合在一起。然后，他们让每种形状的粒子自组装成纳米粒子超晶格，以测试它们的行为。

通过与密歇根大学Glotzer团队领导的研究小组合作，利用物理观测和精确的计算机模拟，研究人员表明，这些粘性分子对于粒子组装成与西山-瓦瑟曼路径预测的瞬态状态相匹配的构型至关重要。

Moore说：“你可以把它们想象成毛茸茸的粒子。这些‘毛发’足够灵活，使得粒子有更多自由移动的空间，但它们也能很好地契合在一起，从而使粒子能够互相啮合。”

通过光照，当银纳米粒子中的电子与光波完美同步振动并发生量子力学纠缠时，这些银纳米粒子超晶格展现出深强光-物质耦合的特征。这类量子光学相互作用通常在极低温度下观察到，但这种新结构似乎在室温下就表现出该行为。研究人员表示，这可能为制造用于量子计算或传感的新材料提供了蓝图。

Chen说：“任何时候，只要你能识别出一种新的物质相，新的应用就会出现。”

该研究得到了国家科学基金会（奖项编号：DMR-1943930, CHE-2203700, EAR−2223273, CBET-2230729, CBET-2230891, 2243104, DMR 140129, 2138259, 2138286, 2138307, 2137603, 2138296）和能源部（奖项编号：DE-SC0012704, DOE-NNSA, DE-NA-0003975）的多项资助支持。