颠覆性突破：德美科学家联合创造出具有生命特征的晶体材料

今日快讯 2025年10月23日 04:52 0 admin

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251021083635.htm

德美联合研究团队在材料科学领域取得了一项颠覆性突破，他们成功创造出一种被称为"旋转晶体"的全新材料，这种材料展现出前所未有的仿生特性——能够像生物体一样自主扭曲、分裂并重新组装。这一发现不仅挑战了传统固体物理学的基本假设，更为开发具有自适应能力的下一代智能材料铺平了道路。相关研究成果已发表在《美国国家科学院院刊》上，标志着材料科学向生物启发技术迈出了革命性的一步。

这种新型材料的最令人震惊之处在于其违背常规的力学响应特性。当普通材料受到拉力作用时会发生伸长变形，这是材料力学的基本定律。然而，旋转晶体却表现出完全相反的行为——它们在受力时不会拉伸，而是发生扭转。这种被研究人员称为"奇弹性"的特性，为设计新型机械系统和控制元件提供了全新的可能性。更加引人注目的是，这些材料还能够自发地分裂成独立的碎片，随后又能重新组装成完整的结构，展现出类似生命体自我修复的能力。

来自杜塞尔多夫海因里希-海涅大学、亚琛工业大学、美因茨大学以及美国韦恩州立大学的国际研究团队，通过建立复杂的多尺度理论模型和计算机模拟，深入解析了这种奇特材料的行为机制。他们发现，旋转晶体的独特性质源于其构成粒子之间存在的一种全新的相互作用模式——横向相互作用。

颠覆传统的物理机制

由横向相互作用的颗粒组成的旋转晶体自发碎裂成多个旋转晶体碎片。图片来源：韦恩州立大学/黄志峰

传统物理学中，物体间的相互作用主要通过中心力实现，如重力和电磁力，这些力沿着连接两个物体中心的直线作用，导致物体相互吸引或排斥。然而，横向相互作用代表了一种全新的力学机制，这种力垂直于中心连线作用，导致物体开始自发旋转。正是这种不寻常的力学安排，赋予了旋转晶体其独特的动力学行为。

杜塞尔多夫海因里希-海涅大学理论物理研究所的哈特穆特·勒文教授解释说，由众多旋转组成元素构成的系统在高密度条件下会形成具有"奇异"材料特性的固体转子体。这种行为完全超出了传统材料科学的预期范围，代表了一种全新的物质状态。

韦恩州立大学的黄志峰教授通过深入的理论分析发现，这些旋转晶体遵循着与传统晶体完全相反的生长规律。大型旋转晶体倾向于分解成更小的旋转单元，而小晶体则会持续生长直至达到特定的临界尺寸。这一发现完全颠覆了经典晶体生长理论，后者预测在有利条件下晶体应该稳定膨胀。黄教授的研究揭示了决定临界碎片大小与旋转速度之间关系的基本自然规律。

研究团队还发现了这种材料的另一个令人惊讶的特性：晶体中的缺陷结构具有独特的动力学行为。莱布尼茨交互材料研究所的拉斐尔·维特科夫斯基教授指出，这种缺陷的形成可以通过外部因素进行精确调控，从而实现对晶体特性的定制化控制。这种可控的缺陷工程技术为材料的专门化应用开辟了广阔前景。

从理论到应用的广阔前景

旋转晶体的发现不仅具有重要的理论意义，更展现出巨大的应用潜力。勒文教授的模型计算表明，这些新型晶体的奇异弹性特性可以用于开发全新的技术开关元件。与传统开关依赖材料的伸长或收缩不同，基于旋转晶体的开关可以利用扭转变形实现功能切换，这种机制可能具有更高的可靠性和响应速度。

在生物医学领域，旋转晶体的自修复能力为开发新型生物材料提供了革命性的思路。科学家们设想，这种材料可能被用于制造能够自动修复损伤的人工血管、骨骼材料，或者能够根据生理需求自适应调整性能的医疗植入物。虽然这些应用目前还处于概念阶段，但旋转晶体的发现为实现这些目标提供了坚实的理论基础。

美因茨大学的迈克尔·特·弗吕格特博士强调，他们建立的理论框架具有广泛的适用性，涵盖了所有展现横向相互作用的系统。这意味着旋转晶体的应用范围可能从胶体科学扩展到生物学研究，甚至延伸到我们目前尚未预见的领域。

值得注意的是，横向相互作用并非仅存在于人工合成的材料中。麻省理工学院的研究人员在海星胚胎的研究中发现，这些生物通过游泳运动产生的相互作用会导致彼此发生旋转运动。虽然这种协调运动的生物学功能尚不明确，但它与合成旋转系统具有相同的基本特征，表明横向相互作用在自然界中可能比我们此前认识的更加普遍。

在软物质和胶体科学领域，旋转晶体的研究成果可能推动智能流体和自组装系统的发展。这些材料能够根据外部条件自动调整结构和性能，在药物传递、传感器技术、自清洁表面等领域具有巨大应用潜力。想象一下能够根据病人的生理状态自动调整药物释放速度的智能药物载体，或者能够根据环境变化自动调整透光性的智能窗户材料。

此外，旋转晶体的发现还可能对我们理解复杂生物系统产生深远影响。从细菌鞭毛的旋转运动到细胞分裂过程中纺锤体的形成，许多生物现象都涉及旋转机制。旋转晶体理论可能为理解这些复杂生物过程提供全新视角，帮助我们更好地认识生命的本质。

展望未来，研究团队计划深入探索不同环境条件对旋转晶体行为的影响，包括温度、压力、化学环境等因素。他们还将研究如何通过外部场（如磁场或电场）精确控制旋转晶体的性质，以实现更加复杂和精细的功能。随着研究的深入，我们有理由相信，这种具有生命特征的智能材料将在不久的将来改变我们的生活方式，开启材料科学的新纪元。