如何用最“简单”的规则
搭建出最“复杂”的微观结构？
这是材料科学领域的一个核心挑战
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
于北京时间2026年4月1日晚间
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
在凝聚态物理与材料科学中，晶格结构一直是物理学家们的重点关注对象。它不仅是物质微观结构的“骨架”，更是连接微观粒子排列与宏观物理性质的桥梁。晶格决定了材料的基本性质——同样由碳原子构成的物体，钻石之所以坚硬透明、石墨之所以柔软导电，根源就在于它们原子排列方式截然不同。
因此，研究如何设计、调控并自发形成具有特定对称性的复杂结构晶格，不仅是理解物质世界底层规律的关键，也是开发超导材料、光子晶体等前沿功能材料的基础。
然而，在微观物理系统中，通过自下而上的方式组装复杂结构，长期以来面临着一个核心悖论：按照传统观念，要产生复杂的对称结构，必须设计出极度复杂的“定制结构”来相互作用。比如，引入方向性化学键、设计高度各向异性的颗粒形状，或是直接使用与目标结构一致的物理模板。
这些思路不仅实验条件苛刻，而且易使系统陷入“卡壳”的泥沼，大量的粒子可能被困在错误的位置上，极难形成大面积、高质量的完美晶格。因此，如何才能用最简单的相互作用，搭建出最精巧的宏观结构，成为了凝聚态物理和材料科学领域亟待突破的瓶颈。
面对这一挑战，研究团队跳出了“用复杂相互作用构筑复杂结构”的传统路径，从数学与物理的深层几何对称性中汲取灵感，提出了一种“化繁为简”的“对偶对称性引导（dsg）”新范式。
这一新范式在结合光镊技术的二维胶体实验和分子动力学模拟中均得到了验证。团队不仅成功实现了9种复杂阿基米德晶格的自组装，还将该方法推广到了具有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。
dsg策略以及在二维胶体实验和分子动力学模拟中的实现。图片展示了9种阿基米德晶格和三种准晶格，其结构由3，4，6，8，10，12旋转对称单元按特定顺序组装而成，表现出复杂精巧的全局对称性和多尺度结构特性。
“我们的成果为复杂晶格材料的制备提供了一种全新的设计思路。”论文共同第一作者、博士生孙雯思总结，“通过这一架构，研究人员可以更高效地设计衬底，从而引导目标结构的生成。这不仅降低了复杂晶格结构的制备难度，也显著提高了结构质量。因此，该方法在二维材料、胶体体系、原子分子体系等领域具有广泛的应用前景。”
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，团队沿用传统的模版制备方法，但在实际操作中遇到了严重的缺陷问题，很多粒子卡在错误的位置无法演化，导致最终结构不完整。
于是他们开始尝试减少固定点的数量，并观察哪些点可以移除而不影响最终结构。“通过多次实验，我们逐渐发现，在许多复杂晶格中，存在一种内在的‘对偶性’，这些结构可以分解为两组互相对应的子结构，掌握其中一组就足以还原整体。”谭鹏介绍。
谭鹏
在几何学中，对偶性指的是两个点阵之间可以通过某种数学变换一一对应，二者在结构上是等价的。团队发现，许多复杂晶格天然具有这种对偶结构。具体来说，一个复杂晶格可以划分为两组子点阵，这两组子点阵之间互为对偶，这意味着如果掌握其中一组子点阵的结构信息，就可以通过数学变换推导出另一组，从而完整还原整个晶格。
图1：(a) 建筑装饰与材料中的复杂对称性晶格结构；(b) 复杂晶格的对偶子晶格分解示意图；(c-d) 基于声-光耦合光镊技术的二维胶体实验系统；(e) 基于“对偶对称性引导”自组装范式构建的复杂胶体晶格。
更重要的是，几何的对偶对称性直接反映在了物理性质上，使由处于两个子晶格点位上的粒子构成的两个子系统具有非常相似的哈密顿量（hamiltonian）结构。他们发现，在组装过程中，仅仅需要稀疏地“打下几个关键地基”，锚定其中一个低对称性子晶格，剩余的自由颗粒就可在最简单的纯各向同性相互作用下，自发、精准填补到对应的互补子晶格位置，进而重构出宏观的复杂目标晶格。
“这让我们从被动的‘试错’，转向了主动的‘设计’。”孙雯思解释道，“我们不需要控制全部信息，只需精确‘引导’一半，另一半可通过系统动力学自发完成。这大幅降低了复杂结构自组装的难度和成本。”
除了设计原理上的简化，dsg策略在动力学演化上也展现出无可比拟的优势。dsg策略通过减少锚定点，巧妙地为自由颗粒保留了相互连通的“自由体积”。这些自由体积就像是系统内部的“高速公路”，使得颗粒能够进行高效的缺陷弛豫。数值模拟证明，即便在极强的锚定条件下，系统依然保持了优异的动力学可及性，实现了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。
“对偶对称性引导（dsg）”设计架构不依赖于特定的体系，具有较强的普适性和跨尺度推广价值。无论是软物质胶体，还是纳米光子晶格，这套新范式都能适用，甚至可通过分层策略从二维平面推广到三维结构。它让人们可以借助物理、化学等多种技术手段，去制备功能丰富的复杂材料和器件，从而开辟了广阔的设计空间和全新的航道。
多学科交叉为团队“另辟蹊径”提供了源源不断的灵感。一方面，“对偶对称性”的提炼与运用，本质上是几何与图论在物理问题中的应用；另一方面，在研究中，实验使用到的胶体体系、合成方法以及最终形成的复杂晶格与化学密切相关。这种跨越物理、数学与化学的深度合作，为他们突破传统自组装的局限注入了动力。
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。
谭鹏课题组合影
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，东京大学hajime tanaka教授与南京大学马余强院士为论文共同通讯作者。复旦大学物理学系博士后方煌、博士毕业生李晓天、博士生孙雯思为论文的共同第一作者。复旦大学黄吉平教授，博士生王承鑫、陈诺和本科毕业生甘依宁共同参与。本研究工作得到了国家自然科学基金委员会、中国载人航天工程、上海市教育委员会、上海市科学技术委员会、江苏省自然科学基金委员会及日本学术振兴会的资助与支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10364-3
物理学系
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邓晗 殷梦昊
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胡新鹏 受访者提供
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王子逸飞
责 编
殷梦昊
上观号作者：复旦大学