南京大学物理学院孙建教授团队与外国科研人员合作，在石墨烯夹层中发现了一种全新的原子排列结构，改写了氦等简单元素只有“最密堆积结构”的认知，阐释了物质“从二维到三维”的演变规律。

《美国国家科学院院刊》4月22日在线发表了相关成果。

孙建介绍，如果用大量规格相同的玻璃珠装满玻璃瓶，你会发现这些玻璃珠在每一层都呈现出蜂窝状的正六边形结构，这在数学上被称为“最密堆积结构”。

由于这种结构的空间利用率最高，科学界一度认为，即便在白矮星那样超高温、超高压的极端环境中，氦这样的简单元素也只能形成这种结构。

此次研究中，团队运用自主开发的人工智能驱动软件，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，发现了不同于“最密堆积结构”的新型晶体结构。“简言之，它的每一层不是正六边形，而是正四边形。”孙建说。

读图顺序从左往右，同一层氦原子用同一种颜色表示。这组示意图描述的是，在两层石墨烯（用棕色链球表示）限制下，氦原子的结构从二维向三维演化，每一层内部呈现出从正六边形向正四边形演变的特征。（南京大学供图）

论文通讯作者之一、2016年诺贝尔物理学奖获得者迈克尔·科斯特利茨表示，进一步研究发现，随着温度升高，石墨烯夹层中的物质逐渐熔化，表现出一种不同于常规固态和液态的新状态。“我们过去只在单层氦原子等二维系统中发现过类似特性，通过此次研究，我们将这一规律拓展到了多层体系。”

“新结构、新状态，预示这些材料可能具有新奇的性质，有待科学界继续探究。”孙建说，此次研究揭示了物质“从二维到三维”演变过程中的物理行为与底层机制，为今后开发前沿技术提供了重要理论参考。