红色氧原子在灰色石墨烯表层扩散的路径被认为是一种扰动，可通过一种独特的“扰动对称群”来进行研究。图片来源：Gopalan, Penn State

宾夕法尼亚州立大学材料研究所的研究人员开发的一种新型对称操作有助于加速寻找新型先进材料，包括应用广泛的电子材料、磁性材料和热力学材料等。通过进一步的开发，这种技术也会对计算材料设计领域产生影响。

“在物理科学中，进行测量将会是非常耗时间的，因此你并不想进行一些无关紧要的测量。这对于任何材料性质来说都是成立的，例如力学、电学、光学、磁学、热力学或者其他性能等。知道材料的对称性可以大大减少你需要进行测量的数量。”材料科学与工程学院的教授Venkat Gopalan说。对称性是整个物质世界的普遍现象，可以揭示物理学的基本规律。Gopalan给出了一个简单但是非常准确的定义：对称性就是在某些情况下，你对物体进行了操作和没有操作是一样的。圆形具有非常完美的对称，因为你让它旋转任意角度以后，它看起来还是一模一样。任何可以在操作之后还跟没有操作之前一样的，操作都是对称操作。

在晶体中，原子是规则排列的对称图样，就像立方体的盐或者糖的晶体。对称组告诉科学家原子可以有多少种可重复排列的操作方式。如果你知道某一种材料的对称方式，那么你就已经知道了这种材料所具有的很多特性——力学方面、热力学方面、电学方面等。目前已经有230种空间群可以解释原子在空间的排列方式。将它们想象成一个个的对称盒子，如果科学家需要寻找一种具有特定性能的材料，那么只需要在这些对称盒子中间去寻找就可以了。另外一种对称操作，即时间逆转也可以加入到对称盒子中，并且可用于磁性材料。efficient.这仅仅意味着如果时间倒回，这种材料会不会看起来没有发生变化。由于时间逆转的加入，这些具有磁性性能的对称盒子的数量就变成了1421种。Gopalan及其合作者以及前博士研究生Brian VanLeeuwen报道了一种新型对称盒子，即变形对称群，可描述当物理系统被应力、电场和磁场或其他力影响时会发生什么变化。该论文发表在《自然通讯》杂志上。

“自然界中扰动是最常见的现象。化学反应是扰动，扩散是扰动，原子位置的变化也是扰动。我和Brian发现的这种对称性就像一部关于原子的电影，并且关注着它的对称性，然而大多数的对称操作仅仅着眼于一部电影的一帧。我们的研究表明，这种对称性可以应用于很多问题中，例如相转变等。你可以看到很多你之前没有看到的对称性。然后我们可以大量减少需要操作的实验和计算的次数，从而获得材料在扰动下的变化。”Gopalan说。

VanLeeuwen和Gopalan的反对称操作已经被宾夕法尼亚大学的研究人员用于计算材料的设计。一个研究小组已经开始使用这种技术来理解和对钢中氢原子的扩散建模。另一个小组则将其和叫做Quantum Espresso的超级计算机代码结合，广泛应用于全世界的建模工作中。

材料科学与工程学院的助理教授Ismaila Dabo是Quantum Espresso的开发者之一，他说，“当一种新材料发现的时候，我们喜欢问的第一个问题是，其原子的空间排布情况是怎样的。对称性就是一种非常有用的语言，可以揭示这些原子排列和接近平衡态的原子扰动。但是当扰动太大，以至于这些原子偏离了平衡位置时，要想描述材料转变就不大容易了。这项工作为这个问题带来了优雅又合适的答案。”

蛋白质是非常复杂的晶体，当药物分子负载以后会发生改变。但是目前，药物运送的性质通过计算和实验得到的更多。Gopalan感觉到这种技术或许在将来用于减少尝试次数方面很有用。“生物学是一项关于生物分子扰动，从而实现某种生物功能的学科。而这项技术对于这个领域将会非常有用。也许某一天这项技术在这个方面会非常有用，但是生物学是非常复杂的，通常涉及到数百个原子。我们不确定这种想法是否会对其产生影响，但是我们计划尝试一下。我的计划是先进行简单的尝试。”

VanLeeuwen认为许多被材料特性所限制的技术可以从中收益，即可以用于发现新的材料。这包括强度更高的轻质合金，可用于宇宙探索和提高燃料效率，以及制备更好的传感器等。“自然始终选择阻力最小的路径。知道这条路径以后可以使得我们计算大量重要材料的性质。这些性质对于很多技术都至关重要，包括利用超声来检测心脏条件、组织核反应堆熔化等不一而足。”VanLeeuwen 说。

新材料在线编译整理——翻译：杨超     校正：摩天轮