科学家创造了世界上难度最大的迷宫，未来有可能促进碳捕获

在一项新的研究中，物理学家利用国际象棋的力量设计了一组复杂的迷宫，这些迷宫最终可能被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骑士在棋盘上的动作，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化肥生产的工业过程。该研究已被物理评论X接受发表，并发布到arXiv预印本服务器上。

该研究的主要作者、布里斯托大学物理学高级讲师菲利克斯·弗利克博士说:“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令人难以置信的复杂迷宫。随后迷宫的大小呈指数级增长，而且它们的数量是无限的。”

在骑士之旅中，棋子(向前跳两个方格，向右跳一个方格)在返回其起始方格之前只访问棋盘上的每个方格一次。这是一个“哈密顿循环”的例子——通过地图的循环只访问一次所有的停止点。

由布里斯托尔大学领导的理论物理学家在不规则结构中构建了无限个更大的哈密顿循环，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排列方式不同。晶体中的原子以有规律的间隔重复，就像棋盘上的方块一样，而准晶体的原子则不然。

相反，它们做了一些更神秘的事情:准晶体可以用数学方法描述为生活在六个维度上的晶体切片，而不是我们熟悉的三个维度的宇宙。

只有三种天然准晶体被发现，都在同一块西伯利亚陨石中。第一个人造准晶体是在1945年的三位一体试验中意外产生的，电影《奥本海默》(Oppenheimer)讲述了原子弹爆炸的故事。

该小组的哈密顿周期精确地访问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的复杂迷宫，用数学对象“分形”来描述。

这些路径具有一种特殊的性质，即原子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，也不会使直线与自己交叉。这在扫描隧道显微镜中有应用，铅笔是一个原子锋利的显微镜尖端，能够对单个原子进行成像。

哈密顿循环形成了显微镜可能遵循的最快路线。这很有帮助，因为最先进的扫描隧道显微镜图像可能需要一个月的时间才能产生。

在一般情况下寻找哈密顿循环的问题是如此困难，以至于它的解决将自动解决数学科学中许多尚未克服的重要问题。

弗莱克博士补充说:“我们发现，某些准晶体提供了一个特例，在这个特例中，问题出乎意料地简单。因此，在这种情况下，我们使一些看似不可能的问题变得容易处理。这可能包括跨越不同科学领域的实际目的。”

例如，吸附是一个关键的工业过程，其中分子粘附在晶体表面。到目前为止，只有晶体用于工业吸附。如果表面上的原子允许一个哈密顿循环，那么大小合适的柔性分子就可以沿着这些原子迷宫以完美的效率排列。

研究结果表明，准晶体是一种高效的吸附剂。吸附的一个用途是碳捕获和储存，在这种情况下，二氧化碳分子被阻止进入大气。

合著者Shobhna Singh是卡迪夫大学的物理学博士，他说:“我们的研究还表明，准晶体在某些吸附应用中可能比晶体更好。例如，弯曲分子会找到更多的方法降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碎成微小的颗粒。这使它们的吸附表面积最大化。”

高效的吸附也可能使准晶体成为令人惊讶的催化剂候选者，它们通过降低化学反应的能量来提高工业效率。例如，吸附是Haber催化过程中的关键步骤，用于生产用于农业的氨肥。