超复杂的分形迷宫可能是未来碳捕获的关键

当你已经接近完美的时候，谁还需要完美呢？

显示哈密顿循环的迷宫的一部分。

图片来源：布里斯托大学

多年来，棋盘激发了许多脑筋急转弯的灵感。例如：给定一个标准棋盘和一个马，是否可以移动该棋子使其访问每个方格一次且仅一次？答案是肯定的——这一事实可能最终有助于应对气候变化。

用数学术语来说，这个问题所称的“骑士之旅”是“哈密尔顿循环”的一个例子。但如果马不是在一个普通的棋盘上移动，而是在一个更奇怪的东西上移动呢？像……准晶体之类的东西？

如果您还没有听说过准晶体，那并不奇怪。迄今为止，仅发现了三种天然存在的陨石，而且全部都是在西伯利亚偏远角落的一块 45 亿年前的陨石中发现的。从技术上讲，这个术语指的是一种有序但非周期性的结构，原子形成一种图案，但这种图案并不完美地重复——说得粗一点，只要你眯着眼睛看，它看起来就像一个规则的晶体。

但这种不规则的性质意味着任何围绕准晶体的旅行都将是非常特别的：它们本质上是分形的。 “当我们观察我们构建的线条的形状时，我们注意到它们形成了极其复杂的迷宫，”布里斯托大学物理学高级讲师、关于这一发现的新论文的主要作者 Felix Flicker 在一份声明中解释道。 

“随后迷宫的大小呈指数增长——而且数量无限，”他说。

那么为什么这很重要呢？好吧，找到围绕晶体原子的这些哈密顿循环通常是一个很难解决的问题——这很遗憾，因为它有一些非常重要的应用。例如，吸附：不，这不是拼写错误 - 这是一种化学过程，其中原子颗粒通过粘附在固体表面而从气体或液体溶液中去除。 

它也是整个行业不可或缺的。吸附是染色过程的关键；在缺水的地方软化硬水并保存它；制药和食品工业；甚至正是这个过程使活性炭变得如此有利可图。在气候变化严重的现代世界，它还有一个特别有趣的应用：它可以用于碳捕获和储存，防止危险的 CO2 分子进入大气。

问题是，到目前为止，工业吸附依赖于晶体——常规的非准晶体。因此，使用它们稍微麻烦的表亲不仅可以简化寻找哈密顿循环的问题，而且还可以大幅提高该过程的效率，这一发现至少可以说是相当令人兴奋的。

卡迪夫大学物理学博士研究员、这篇新论文的合著者 Shobhna Singh 表示：“我们的工作 [...] 表明，在某些吸附应用中，准晶体可能比晶体更好。” “例如，弯曲分子会找到更多方法落在不规则排列的准晶体原子上。 ” 

“准晶体也很脆，这意味着它们很容易破碎成微小的颗粒，”辛格补充道。 “这最大化了它们的吸附表面积。 ”

该论文发表在《Physical Review X》杂志上。