程正迪院士团队Nature Materials：软物质中的硬科学！

随着类球形软材料（如胶束、囊泡、微凝胶、细胞和肥皂泡等）在自然界和人造系统中的广泛存在，科学家开始关注它们在密集堆积结构方面的表现。 这些材料尽管易于变形，但其密堆积结构却呈现出与金属或合金相似的形态，如体心立方堆积等。 这一现象的根本原因在于完美球体形成的界面面积最小，从而降低界面能。 因此，每个柔性单元倾向于形成尽可能接近球形的多面体形状，类似于金属中自由电子稳定结构的机制。

为了探究分子在软材料系统中的组装行为，研究者观察了分子1到4在高温和低温下的组装行为。尽管这些分子具有不同的对称性，它们都能组装成软物质系统中常见的体心立方结构。然而，分子五边形却展现出了截然不同的复杂组装行为。通过小角X射线散射实验，研究者发现分子五边形在高温和低温下分别呈现不同的复杂相态。高温结构通过指标化粉末衍射结果和多角度电镜透射照片的结合分析，最终确认为μ相（见图2 a~b）。μ相在高温合金领域已有研究历史，但这是其在软物质中的首次发现，这一发现对软物质领域的研究具有重要意义。另一方面，低温下的结构既通过小角散射也通过电镜无法与已知结构对应（见图2 c~d）。为了解析这一低温结构，研究者捕获到了相转变的中间态，并辅以多种模拟方法。最终成功推断出了低温相的结构，并将其命名为φ相 。

研究者通过图3展示了FK（Frank-Kasper）相的特点和重要性。FK相是一类重要的合金结构，其特点是仅由四面体空隙构成，由12、14、15、16配位的四种微环境在三维空间中排列组合而成（见图3 a）。这种结构的紧密堆积使得FK相在冶金工业中以其高硬度而闻名，同时也常成为软物质及其他材料堆积的优势结构。在过去的百年里，FK相在从原子尺度到宏观尺度的不同材料中不断被发现，从金属到肥皂泡都有其存在（见图3 b）。目前已经确认了28种不同类型的FK相。φ相作为FK家族中的最新成员，是在非金属体系中首次被发现的新型FK结构。这一发现对于理解和探索FK相的多样性和普遍性具有重要意义，为我们深入了解材料堆积结构的本质和在不同材料体系中的应用提供了新的视角和可能性 。

本 文的科学对于研究生和其他科学家都具有重要意义。首先，通过对软物质系统中的超分子结构进行深入研究，揭示了分子五边形在介观尺度上的影响。这为理解软物质的自组装行为提供了新的视角和方法。研究生可以从中学习如何利用实验和模拟手段，探究分子结构对材料性质的影响，为材料设计和合成提供新的思路。其次，本文展示了在材料科学领域中，通过精密设计和合成可以实现新的结构和性能。研究生可以从中了解到，通过对分子结构的精确调控，可以实现材料的定制化设计，拓展材料的功能和应用领域。另外，本文还强调了软物质中的结构阻挫效应及其在材料构建中的重要性。研究生可以从中认识到，在材料设计和合成过程中，需要考虑到分子之间的相互作用及其对整体结构和性能的影响，从而更好地实现材料的控制和优化 。