单相固体中依赖取向的相互晶体与非晶序

有序与无序并存的世界

我们周围的大多数材料可归入两类：晶体，原子像地板上的瓷砖那样按重复模式排列；以及玻璃类，原子像凝固的液体一样杂乱无章。本文揭示了一种介于两者之间的令人意外的情况：一种在两个方向上表现为玻璃状、但在第三个方向上却具有晶体特性的固体。这种不寻常的有序与无序混合，可能改变我们从原子层面思考并设计电池、芯片等日常材料的方式。

一种新的原子拼图

晶体以其长程有序为特征：知道了少数原子的位置，便能预测更多原子的位置。非晶材料（如窗玻璃）则缺乏这种重复性，即便最近邻之间仍保持某种常规间距。几十年来，科学家们一直在探讨如何描述“中程有序”这一中间地带——图案只延伸到若干原子而非无限远。本文作者采取了不同的视角：他们不再问整体材料是有序还是无序，而是询问在同一固体内部，不同方向是否可以表现出不同的行为。

带有隐含图案的层状纳米棒

研究团队用脉冲激光沉积制备了由含铌、钨和氧（Nb–W–O）的微小纳米棒组成的薄膜，这种技术通过向陶瓷靶材发射短促能量脉冲，在晶体基底上逐层生长材料。通过选择沿不同晶面切割的已知晶体基底（钛酸锶），他们能够控制Nb–W–O纳米棒的生长方向。电子显微镜图像显示在每根纳米棒内，单层平面中的原子在层内呈现出无序、玻璃般的排列。然而沿垂直方向观察时，这些无序层却以近乎完美的规则间距堆叠，跨越数百层原子：由玻璃片构成的晶体。

近距离观察随机性

为检验这些层到底有多随机，研究者结合了多种强有力的探针。高分辨率电子显微图像及其傅里叶变换显示出在每一层平面内不存在重复图案，确认了长程有序的缺失。配对分布函数测量绘出了原子典型距离的分布，仅在极短距离处出现尖锐峰值，这表明原子仍然形成基本构件——金属原子被氧包围的八面体单元——但任何更大尺度的重复模式很快消失。先进的X射线吸收技术证实铌和钨位于这些扭曲的八面体中，而化学分布图则显示铌与钨在层内混合但无规律模式。

像晶体般表现的堆叠玻璃薄片

尽管每层在其平面内是结构上无序的，但它们的垂直堆叠绝非随机。用同步辐射X射线进行的三维倒易空间映射（一种将散射图样转换为原子有序指纹的方法）揭示了片状特征，与周期性堆叠的非晶层模拟相匹配。取决于底层钛酸锶的取向，纳米棒会沿一、二或三个优选方向生长，但在所有情况下层间距几乎相同，并与基底晶体的间距紧密相关。换言之，基底晶体像一把刚性的尺子，迫使这些玻璃状层沿一个主轴以晶体般的规则堆积，而在横向则仍保持无序。

为何这一边界区域重要

这种不寻常的材料表明，晶体与玻璃之间的常规分界不仅关乎有序延伸的距离，还取决于所观察的方向。在单一固体中，原子可以在二维内形成连续的随机网络，同时在第三维上仍以完美的节律排列。这个见解为科学家提供了新的调控平台：可以设想出电导、离子迁移或力学强度等性质高度各向异性的材料，因为有序与无序可以以受控方式共存。除了特定的铌—钨—氧化物体系外，这项工作还为探索和模拟二维非晶物质的堆叠提供了平台，有助于改进我们对介于晶体与玻璃之间固体的描述、测量以及最终工程化的方式。

引用: Xia, R., Li, J., Birkhölzer, Y.A. et al. Orientation-dependent mutual crystalline and amorphous order in a single phase solid. Nat Commun 17, 2646 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69359-3

关键词: 非晶材料, 晶体序, 铌钨氧化物, 薄膜纳米棒, 原子结构