猶他大學的數學家和工程師合作，展示了超聲波如何將水中的碳顆粒組織成一種永不重複的模式。他們說，這一結果可能會產生被稱為”類晶體”的材料，具有可定制的磁性或電性。該研究發表在《物理評論快報》雜誌上。

數學副教授費爾南多-格瓦拉-巴斯克斯（Fernando Guevara Vasquez）說：”類晶體的研究很有趣，因為它們具有晶體所不具備的特性”。”它們已被證明比類似的周期性或無序材料更硬。它們還可以導電，或以不同於晶體的方式散射波。”

想像一個棋盤。你可以把兩個黑色區塊和兩個白色（或紅色）區塊組成的2×2正方形，複製和粘貼，得到整個棋盤。這樣的”週期”結構其圖案是重複的，這種形態普遍在晶體中出現。例如，以一粒鹽為例。在原子水平上，它是一個由鈉和氯原子組成的網格狀格子。你可以從晶體的一個部分複制和粘貼晶格，並在任何其他部分找到一個匹配。

但是準週期性結構是具有欺騙性的。一個例子是被稱為彭羅斯瓷磚的圖案。乍一看，這些幾何菱形瓦片似乎是有規律的圖案。但你不能複制和粘貼這種圖案。它不會重複，因為彭羅斯瓦片的菱形瓦片表現出五重對稱性。

材料科學家丹-謝赫特曼（Dan Schechtman）在一些金屬合金中發現了準週期結構，獲得了2011年諾貝爾化學獎，並開啟了對準晶體的研究。

自2012年以來，格瓦拉和機械工程副教授Bart Raeymaekers一直在合作設計具有微尺度定制結構的材料。他們最初並不是想創造準週期性材料–事實上，他們的第一個理論實驗，由數學博士生China Mauck領導，主要是研究週期性材料，以及利用超聲波可能實現的粒子模式。在每個維度的平面上，他們發現兩對平行的超聲波換能器足以將粒子排列成一個週期性的結構。

但是，如果他們有更多的一對換能器會發生什麼？為了找出答案，Raeymaekers和研究生Milo Prisbrey（現在在洛斯阿拉莫斯國家實驗室）提供了實驗儀器，數學教授Elena Cherkaev提供了準晶體的數學理論經，他們共同進行了理論計算，以預測超聲傳感器將產生的模式。

實驗裝置有四對超聲換能器，圍繞著一個懸浮在水中的碳納米粒子的容器。

研究人員將四對超聲換能器設置成一個八角形的站牌排列。在這個八角形的設置中，該團隊將小的碳納米粒子放置在水中，懸浮在水中。一旦換能器打開，超聲波就會引導碳顆粒到位，形成類似於彭羅斯瓷磚的準週期圖案。

下一步將是實際製造一種具有準週期圖案排列的材料。這並不困難，如果這些顆粒懸浮在一種聚合物中，而不是懸浮在水里，一旦這些顆粒就可以被固化或硬化。至關重要的是，通過這種方法可以創造出二維或三維的準週期材料，通過選擇如何安排超聲換能器和如何驅動它們，它們就可以實現常見的準週期對稱性。

這些材料能做什麼還有待觀察，但最終的一個應用可能是創造出能操縱電磁波的材料，比如今天5G蜂窩技術使用的電磁波。切爾卡耶夫說，準週期性材料的其他已知應用包括不粘塗層（由於其摩擦係數低），以及防止熱傳遞的絕緣塗層。

然而，另一個例子是通過嵌入小型準晶體顆粒來硬化不銹鋼。2011年諾貝爾化學獎的新聞稿中提到，準晶體可以”像盔甲一樣加固材料”。

因此，研究人員說，我們可以希望這些由超聲粒子組裝產生的新型準晶結構有許多新的令人興奮的應用。