南京大学物理学院孙建教授团队与海外研究者合作，在石墨烯夹层中发现了前所未有的原子排列结构，推翻了氦等简单元素仅有“最密堆积结构”的传统观念，揭示了物质从二维到三维的演变规律。
相关研究成果已于4月22日在《美国国家科学院院刊》上线发表。
孙建解释说，若用相同规格的玻璃珠填满玻璃瓶，每一层玻璃珠会形成蜂窝状的正六边形结构，这在数学上被称作“最密堆积结构”。
由于这种结构的空间利用率最高，科学界曾认为，即便在白矮星那样的极端高温高压环境下，氦这样的简单元素也只能形成这种结构。
在本次研究中，团队使用了自主研发的AI驱动软件，分析了氦、氖、氩三种稀有气体以及金属铝在石墨烯夹层中的状态，发现了一种不同于“最密堆积结构”的新型晶体结构。“简而言之，每一层的形状不再是正六边形，而是正四边形。”孙建说。
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图示从左到右，同一层的氦原子用同一种颜色表示。这组示意图展示了，在两层石墨烯（用棕色链球表示）的限制下，氦原子的结构从二维向三维的演变过程，每一层内部从正六边形向正四边形转变的特征。（南京大学提供）
论文通讯作者之一、2016年诺贝尔物理学奖得主迈克尔·科斯特利茨表示，进一步的研究发现，随着温度的升高，石墨烯夹层中的物质逐渐熔化，呈现出一种不同于传统固态和液态的新状态。“我们之前仅在单层氦原子等二维系统中观察到这种特性，通过这次研究，我们将这一规律扩展到了多层体系中。”
“新结构、新状态，意味着这些材料可能具有独特的特性，等待科学界进一步探索。”孙建说，此次研究揭示了物质从二维到三维演变过程中物理行为及底层机制，为未来开发前沿技术提供了重要的理论基础。
