科学家打造全球最难迷宫，未来有望提升碳捕获量

在新的研究中，物理学家利用国际象棋的力量设计了一组复杂的迷宫，最终可以用来解决世界上一些最紧迫的挑战。

他们独特的迷宫般的创作灵感来自于棋盘上骑士的移动，可能有助于解决其他众所周知的难题，包括简化从碳捕获到肥料生产的工业流程。 学习 已被 Physical Review X 接受发表并发布至 arXiv 预印本服务器。

布里斯托大学物理学高级讲师、论文第一作者菲利克斯·弗利克博士表示：“当我们观察所构建线条的形状时，我们发现它们形成了极其复杂的迷宫。后续迷宫的大小呈指数增长，而且数量无限。”

在骑士巡游中，棋子（向前跳两格，向右跳一格）只访问棋盘上每个格子一次，然后返回起始格子。这是“汉密尔顿循环”的一个例子——地图上的循环只访问所有停止点一次。

由布里斯托大学领导的理论物理学家在不规则结构中构建了无限多个越来越大的哈密顿循环，这些结构描述了被称为准晶体的奇异物质。

准晶体中的原子排列方式与盐或石英等晶体中的原子不同。晶体中的原子以规则的间隔重复排列，就像棋盘上的方格一样，而准晶体原子则不是这样。

相反，它们做了一些更神秘的事情：准晶体可以在数学上描述为六维晶体切片，而不是我们熟悉的宇宙的三维。

迄今为止，人类只发现了三颗天然准晶体，它们都来自同一块西伯利亚陨石。第一颗人造准晶体是在 1945 年的三位一体核试验中意外产生的，这部电影《奥本海默》就曾描述过这次原子弹爆炸。

该群的哈密顿循环精确地访问了某些准晶体表面的每个原子一次。由此产生的路径形成了独特复杂的迷宫，用称为“分形”的数学对象来描述。

这些路径具有特殊属性，即一支原子级锋利的铅笔可以画出连接所有相邻原子的直线，而不会抬起铅笔或使线条交叉。这在扫描隧道显微镜中得到应用，其中铅笔是一种原子级锋利的显微镜尖端，能够对单个原子进行成像。

哈密​​顿循环构成了显微镜可以遵循的最快路径。这很有用，因为最先进的扫描隧道显微镜图像可能需要一个月才能生成。

在一般环境中寻找汉密尔顿循环的问题非常困难，以至于它的解决将自动解决数学科学中尚未克服的许多重要问题。

Flicker 博士补充道：“我们表明，某些准晶体提供了一种特殊情况，其中的问题出乎意料地简单。在这种情况下，我们因此使一些看似不可能的问题变得容易解决。这可能包括跨越不同科学领域的实际用途。”

例如，吸附是一种重要的工业过程，分子粘附在晶体表面。到目前为止，工业上只有晶体用于吸附。如果表面的原子允许汉密尔顿循环，那么适当大小的柔性分子就可以通过沿着这些原子迷宫以完美的效率堆积起来。

研究结果表明，准晶体可以成为高效的吸附剂。吸附的用途之一是碳捕获和储存，从而阻止二氧化碳分子进入大气。

论文合著者、卡迪夫大学物理学博士研究员 Shobhna Singh 表示：“我们的研究还表明，在某些吸附应用方面，准晶体可能比晶体更胜一筹。例如，弯曲的分子会找到更多方法降落在排列不规则的准晶体原子上。准晶体也很脆，这意味着它们很容易破碎成微小的颗粒。这最大限度地增加了它们的吸附表面积。”

高效吸附还能使准晶体成为令人惊喜的催化剂候选材料，通过降低化学反应能量来提高工业效率。例如，吸附是哈伯催化工艺的关键步骤，用于生产农业用氨肥。