科學家們一直在尋找準晶體——所謂的“不可能”的材料，具有不尋常的、非重複的結構——並在世界首次核彈試驗的殘餘物中發現了一種。
這種以前未知的結構由鐵、矽、銅和鈣組成，可能是由汽化的沙漠沙子和銅纜融合而成。類似的材料已在實驗室中合成並在隕石中發現，但這種材料於 5 月 17 日在《美國國家科學院院刊》上發表，是首個具有這種元素組合的準晶體例項。
不可能的對稱性
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準晶體包含原子構建塊，這些原子構建塊——與普通晶體中的原子構建塊不同——不會以規則的、類似磚砌的模式重複。普通晶體結構在沿某些方向平移後看起來是相同的，而準晶體具有曾經被認為是不可能的對稱性：例如，一些準晶體具有五重對稱性，因此如果旋轉完整扭曲的五分之一，看起來是相同的。
材料科學家丹尼爾·謝赫特曼（Daniel Shechtman），現任以色列理工學院（Technion Israel Institute of Technology）教授，於 1982 年首次在合成合金中發現了這種不可能的對稱性。當在各種可能的方向上旋轉時，它具有五重對稱性，如果其構建塊是二十面體（即具有 20 個面的規則形狀），則會發生這種情況。許多研究人員最初質疑謝赫特曼的發現，因為在數學上不可能僅使用二十面體來填充空間。 謝赫特曼最終因這項發現獲得了 2011 年諾貝爾化學獎。
大約在同一時間，現任新澤西州普林斯頓大學的理論物理學家保羅·斯坦哈特（Paul Steinhardt）及其合作者開始推測可能存在非重複的 3D 結構。這些結構與二十面體具有相同的對稱性，但由幾種不同型別的構建塊組裝而成，這些構建塊永遠不會以相同的模式重複——從而解釋了為什麼對稱晶體的數學模型會忽略它們。現任英國牛津大學的數學物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）和其他研究人員此前曾在二維空間中發現了類似的模式，稱為彭羅斯鋪磚。
斯坦哈特回憶起 1982 年他第一次看到謝赫特曼發現的實驗資料並將其與他的理論預測進行比較的那一刻。“我從辦公桌前站起來，走到我們的圖案前看了看，你根本看不出有什麼不同，”他說。“所以那真是一個令人驚歎的時刻。”
在隨後的幾年裡，材料科學家合成了幾種型別的準晶體，擴大了可能的禁對稱性的範圍。斯坦哈特和他的同事後來在西伯利亞東部堪察加半島回收的隕石碎片中發現了第一種天然存在的“二十面隕石”。 發現第一種天然存在的“二十面隕石” 斯坦哈特說，這種準晶體可能是在早期太陽系中兩個小行星碰撞中形成的。一些實驗室製造的準晶體也是透過高速撞擊材料而產生的，因此斯坦哈特和他的團隊想知道核爆炸的衝擊波是否也可能形成準晶體。
“切片和切塊”
在“三位一體”試驗（有史以來第一次核彈爆炸，於 1945 年 7 月 16 日在新墨西哥州阿拉莫戈多轟炸靶場進行）之後，研究人員發現了一大片綠色的玻璃狀物質，這種物質是由沙漠沙子的液化形成的。他們將這種物質稱為三位inite。
鈽彈是在一座 30 米高的塔頂上引爆的，塔上裝滿了感測器及其電纜。斯坦哈特說，結果，形成的一些三位inite含有紅色夾雜物。“它是天然材料與來自傳輸線的銅的融合。” 準晶體通常由通常不會結合的元素形成，因此斯坦哈特和他的同事認為紅色三位inite的樣本將是尋找準晶體的好地方。
斯坦哈特說：“在十個月的時間裡，我們一直在切片和切塊，觀察各種礦物。“最後，我們發現了一顆微小的晶粒。” 這種準晶體與謝赫特曼最初發現的準晶體具有相同的二十面體對稱性。
猶他大學（鹽湖城）的理論化學家瓦萊裡婭·莫利內羅（Valeria Molinero）說：“矽在其結構中的主導地位非常明顯。” 她說，“然而，在實驗室中合成了許多準晶體之後，我發現真正有趣的是它們在自然界中如此稀少。” 斯坦哈特說，這可能是因為準晶體的形成涉及“不尋常的元素組合和不尋常的排列”。
普林斯頓大學的地球科學家林肯·霍利斯特（Lincoln Hollister）說，像大多數已知的準晶體一樣，三位inite結構似乎是一種合金——一種金屬狀材料，由電子海中的正離子組成。這對於矽來說是不尋常的，矽通常以氧化形式存在於岩石中：逆轉氧化需要極端條件，例如衝擊波的強烈高溫和高壓。
斯坦哈特認為，準晶體可以用於一種核法證科學，因為它們可能揭示秘密核試驗發生的地點。準晶體也可能在其他在劇烈條件下產生的材料中形成，例如雷擊石，即閃電擊中岩石、沙子或其他沉積物時形成的材料。“準晶體的傳奇將繼續！”霍利斯特說。
本文經許可轉載，首次發表於 2021 年 5 月 17 日。