犹他大学的保罗·加布里埃尔森 准周期二维图形
荣誉:费尔南多·格瓦拉·瓦斯奎兹 犹他大学的数学家和工程师联手展示了超声波如何将水中的碳粒子组织成一种永不重复的模式
他们说，这一结果可能导致被称为“准晶”的材料具有定制的磁性或电性
这项研究发表在《物理评论快报》上
数学副教授费尔南多·格瓦拉·瓦斯奎兹说:“准晶研究起来很有趣，因为它们具有晶体所没有的特性。”
“它们已被证明比类似的周期性或无序的材料更坚硬
它们也可以导电，或者以不同于晶体的方式散射波
" 非模式模式 想象一个棋盘
你可以将两块黑色瓷砖和两块白色(或红色)瓷砖组成一个2×2的正方形，然后复制并粘贴得到整个棋盘
这种“周期性”结构，具有重复的模式，自然出现在晶体中
举个例子，半信半疑
在原子水平上，它是钠和氯原子的网格状晶格
你可以从晶体的一部分复制并粘贴晶格，然后在任何其他部分找到匹配
但是准周期结构具有欺骗性
一个例子就是彭罗斯瓷砖
乍一看，几何菱形瓷砖似乎是在一个规则的模式
但是你不能复制粘贴这个模式
不会再重复了
材料科学家丹·谢奇曼在某些金属合金中发现了准周期结构，从而获得了2011年诺贝尔化学奖，开启了对准晶的研究
自2012年以来，格瓦拉和机械工程副教授巴特·雷伊梅克斯(Bart Raeymaekers)一直在合作设计具有定制结构的微型材料
他们最初并不打算创造准周期材料——事实上，他们的第一个理论实验是由数学博士生中国·马克领导的，重点是周期材料和通过使用超声波可能实现的粒子模式
在每个维度平面上，他们发现两对平行的超声换能器足以将粒子排列成周期性结构
但是如果他们多一对传感器会发生什么呢？为了找到答案，雷伊梅克斯和研究生米洛·普里斯利(现在在洛斯阿拉莫斯国家实验室)提供了实验仪器，数学教授埃琳娜·切尔科夫提供了准晶体数学理论的经验
格瓦拉和毛克进行了理论计算，以预测超声波换能器将产生的模式
创造准周期模式 切尔卡耶夫说，准周期模式可以被认为是使用了一种“剪切-投影”技术，而不是剪切-粘贴方法
该实验装置由四对超声换能器组成，围绕着一个水中悬浮有碳纳米颗粒的容器
荣誉:费尔南多·格瓦拉·瓦斯奎兹 如果你用切割投影法在一条线上设计准周期图案，你可以从一个平面上的正方形网格开始
然后，绘制或剪切一条线，使其仅穿过一个网格节点
这可以通过在无理数的角度画一条线来实现，使用像圆周率这样的无理数，一个永不重复的无穷级数
然后，您可以在直线上投影最近的网格节点，并确保直线上各点之间的距离模式不会重复
它们是准周期的
这种方法在二维平面上是相似的
“我们从高维空间的网格或周期函数开始，”切尔科夫说
“我们在这个空间中切开一个平面，然后遵循类似的程序，将周期函数限制在一个不合理的二维切片上
“当使用超声换能器时，如本研究中，换能器在更高维度的空间中产生周期性信号
研究人员设置了四对八角形停止标志排列的超声波传感器
格瓦拉说:“我们知道这将是我们能够证明准周期粒子排列的最简单的装置。”
“我们对使用什么信号来驱动超声波换能器的控制也很有限；我们可以基本上只使用信号或它的负值
" 在这个八角形的装置中，研究小组放置了悬浮在水中的小碳纳米粒子
一旦传感器打开，超声波将碳粒子引导到位，形成类似彭罗斯瓷砖的准周期图案
格瓦拉说:“一旦实验完成，我们将结果与理论预测进行比较，我们得到了非常好的一致。”
定制材料 下一步是实际制造一种具有准周期图案排列的材料
格瓦拉说，如果粒子悬浮在聚合物中，而不是悬浮在水中，一旦粒子就位，水就可以固化或硬化，这并不难
格瓦拉说:“最关键的是，通过这种方法，我们可以创造出二维或三维的准周期材料，通过选择我们如何排列超声换能器以及如何驱动它们，这些材料基本上可以具有任何常见的准周期对称性。”
这些材料能做什么尚待观察，但一个最终的应用可能是创造能操纵电磁波的材料，就像今天5G细胞技术使用的那些材料
切尔科夫说，准周期材料的其他已知应用包括不粘涂层，因为它们的摩擦系数低，以及隔热涂层
另一个例子是通过嵌入小的准晶颗粒来硬化不锈钢
2011年诺贝尔化学奖的新闻稿提到准晶可以“增强像盔甲一样的材料”
" 因此，研究人员说，我们可以期待超声粒子组装创造的这些新颖的准周期结构的许多令人兴奋的新应用
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