当大多数人想到水晶时，他们会想到充当彩虹棱镜的捕日器或一些人认为具有治疗能力的半透明宝石。然而，对于科学家和工程师来说，晶体是一种材料形式，其中它们的成分 - 原子，分子或纳米粒子 - 在空间中规则地排列。换句话说，晶体是由其成分的规律排列来定义的。常见的例子是钻石、食盐或方糖。

然而，在刚刚发表在《软物质》杂志上的研究中，由伦斯勒理工学院化学与生物工程系副教授Sangwoo Lee领导的研究小组发现，晶体结构不一定总是有规律地排列。这一发现推动了材料科学领域的发展，并对用于半导体、太阳能电池板和电动汽车技术的材料产生了未实现的影响。

最常见和最重要的一类晶体结构是通过蜂窝排列的球体层堆叠而成的规则球体的紧密堆积结构。有很多方法可以堆叠层以构建紧密堆积的结构，自然界如何选择特定的堆叠是材料和物理研究中的一个重要问题。在紧密包装结构中，有一种非常不寻常的结构，具有不规则间隔的成分，称为二维六边形层(RHCP)的随机堆叠。这种结构于1942年首次从钴金属中观察到，但它一直被认为是一种过渡和能量上不受欢迎的状态。

Lee的研究小组从由聚合物制成的软模型纳米颗粒中收集了X射线散射数据，并意识到散射数据包含有关RHCP的重要结果，但非常复杂。然后，伦斯勒化学与生物工程系教授帕特里克·安德希尔(Patrick Underhill)使用计算创新中心的超级计算机系统人工智能多处理优化系统(AiMOS)对散射数据进行了分析。

“我们发现RHCP结构很可能是一种稳定的结构，这就是RHCP在许多材料和天然晶体系统中被广泛观察到的原因，”Lee说。“这一发现挑战了晶体的经典定义。

该研究提供了对称为多型性的现象的见解，这种现象使RHCP和其他紧密堆积结构的形成成为可能。具有多型性的代表性材料是碳化硅，广泛用于电动汽车中的高压电子设备和防弹衣的硬质材料。Lee团队的发现表明，这些多型材料可能具有连续的结构转变，包括具有新有用性质的非经典随机排列。

“软颗粒如何包装的问题似乎很简单，但即使是最基本的问题也很难回答，”明尼苏达大学双城分校的凯文·多尔夫曼(Kevin Dorfman)说，他与这项研究无关。“这篇论文为面心立方(FCC)和六边形紧密堆积(HCP)晶格之间的连续过渡提供了令人信服的证据，这意味着它们之间有一个稳定的随机六边形紧密堆积相，从而在材料科学上取得了重要突破。