北京时间2026年4月1日，复旦大学物理学系、应用表面物理全国重点实验室谭鹏教授与合作者于以“Dual-symmetry-guided assembly of complex lattice”为题，在《自然》（Nature）联合发表研究成果，提出一种全新的“对偶对称性引导（Dual-symmetry-guided，DSG）”设计范式。这一发现打破了“复杂材料组装必须依赖复杂基元”的传统认知，为利用多种物理和化学技术手段制备光子晶体、超导材料等复杂对称性材料与器件提供了新的思路。
“大道至简”，打破晶格复杂结构传统认知
晶格结构是物质微观世界的“骨架”，决定了材料的宏观性能。研究如何设计并自发形成具有特定对称性的复杂晶格，是理解物质规律和开发前沿功能材料的关键。然而，传统观念认为，要产生复杂对称结构，必须设计极度复杂的相互作用，如方向性化学键或各向异性颗粒形状。这类思路实验条件苛刻，且易使粒子“卡壳”，难以形成高质量晶格。
谭鹏团队跳出传统路径，从几何对称性中汲取灵感，提出“对偶对称性引导”（DSG）新范式。该策略在结合光镊技术的二维胶体实验和分子动力学模拟中得到验证，成功实现了9种复杂阿基米德晶格的自组装，并推广到了具有8、10、12重旋转对称性的二维非周期准晶结构中，证明了DSG策略的有效性和普适性。
研究成果为复杂晶格材料制备提供了全新设计思路，可高效引导目标结构生成，降低制备难度、提升结构质量，在二维材料、胶体体系等领域具有广阔应用前景。
利用对偶性质，实现复杂晶格自组装
这项突破性发现的背后，是团队长达六年的探索。初期，团队采用传统模板制备，却因大量粒子“卡”在错误位置导致结构不完整。团队转而尝试减少固定点，逐渐发现许多复杂晶格存在内在“对偶性”——可分解为两组互为对应的子点阵，掌握其一即可还原整体。
几何对偶性在物理上表现为两个子晶格具有相似的哈密顿量结构。团队发现，只需稀疏锚定其中一个低对称性子晶格，剩余自由颗粒在纯各向同性相互作用下，便能自发、精准填补到互补位置，重构出宏观复杂晶格。“这让我们从被动‘试错’转向主动‘设计’。”论文共同第一作者、博士生孙雯思说，“只需精确引导一半，另一半通过动力学自发完成，大幅降低了难度与成本。”
DSG策略还通过减少锚定点为颗粒保留连通的“自由体积”，如同内部“高速公路”，实现高效缺陷弛豫。数值模拟证明，即便在强锚定下，系统仍能完成晶格的自组装与自我修复。
多学科交叉合作，拓展材料设计新边界
这项研究被《自然》审稿人评价为一项“优雅的工作”。其“优雅”之处，正在于用极简的物理原理，驾驭了极复杂的结构生成，揭示了微观相互作用简单性与宏观结构复杂性之间的深层联系。
研究提出的DSG架构不依赖特定体系，具有普适推广价值。从软物质胶体到纳米光子晶格均可应用，甚至可通过分层策略从二维平面推广至三维结构。它借助物理、化学等多种技术手段，为制备功能丰富的复杂材料和器件开辟了全新航道。
多学科交叉为团队注入灵感。对偶性本质是几何与图论在物理中的应用，而胶体体系与合成方法又紧密关联化学。目前，团队正尝试运用AI，在所有可能的材料衬底中自动筛选出最优结构，进一步提升设计效率。他们希望将对偶对称性策略与动力学研究相结合，探索其对无序复杂体系动力学行为的调控能力，将这一设计范式推广至三维复杂晶格以及其他类型的准晶结构。
“相信随着这一范式的推广，它在复杂功能材料的可控制备中将发挥越来越重要的作用。”团队期待，该成果的应用前景不局限于物理领域，而是为二维材料、胶体体系等领域开辟全新路径。
论文链接：https://www.nature.
com/articles/s41586-026-10364-3
本报记者 邓晗 殷梦昊
