理論物理學家保羅·斯坦哈特沒有想到去年夏天他會穿越鬆軟的苔原，前往俄羅斯東北部偏遠的淘金區。但他卻在那裡花了三週時間，追溯了世界上唯一已知的天然準晶體的起源——這是一種奇特的結構，由以色列理工學院的材料科學家丹·謝赫特曼於1982年在合成材料中發現，並因此獲得了2011年諾貝爾化學獎。
“我只是抓住問題不放，任它把我拖到任何地方——即使是穿過苔原，”新澤西州普林斯頓大學的斯坦哈特說。這個故事包括秘密日記、走私以及一個發現，即自然的準晶體似乎來自一塊約45億年前的隕石：準晶體遠非人造創新，可能是太陽系誕生時形成的最古老礦物之一。這項發現本週發表在《美國國家科學院院刊》上。
當謝赫特曼首次報告準晶體的原子結構時，它震驚了研究人員。與任何普通晶體中規則重複的晶格不同，原子排列成一種有序但永不完全重複的模式，就像一個複雜的三維馬賽克。大約在發表時，當時在費城賓夕法尼亞大學的斯坦哈特，碰巧正與數學家多夫·萊文一起研究這種非重複模式背後的理論。他後來創造了“準晶體”一詞。
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目前，透過熔化和冷卻金屬，已經在實驗室受控條件下建立了數百種合成準晶體。斯坦哈特開始尋找自然界中的準晶體，瀏覽從其他材料記錄的X射線衍射圖資料庫，以找到可能的候選者。直到2008年秋天，他才收到義大利佛羅倫薩自然歷史博物館的礦物學家盧卡·賓迪的聯絡，後者在博物館收藏的一塊毫米大小的岩石碎片中發現了一顆約100微米大小的準晶體顆粒。2009年，斯坦哈特、賓迪及其同事在《科學》雜誌上報道稱，該顆粒是一種鋁、銅和鐵的準晶合金。根據儲存它的盒子上的標籤，這塊岩石來自俄羅斯的科里亞克山脈。
外星起源
在最新的研究中，賓迪與斯坦哈特和其他美國科學家一起分析了這塊岩石。該團隊報告說，準晶體顆粒周圍的矽酸鹽和氧化物礦物中氧同位素的比例是典型的碳質球粒隕石中的礦物。這表明這塊岩石具有外星起源並且非常古老：幾乎所有的球粒隕石都是在太陽系誕生時形成的。隕石內的準晶體顆粒很可能，但不確定，具有大致相同的年齡。它被發現與一種僅在高壓和高溫下形成的二氧化矽礦物纏繞在一起——例如，與球粒隕石體碰撞可能產生的條件。
我們今天在地球上所知的巨大礦物陣列，直到板塊構造和大氣中的氧氣產生了新的物理和化學環境（參見“微生物驅動了地球的礦物演化”），才開始形成。只有大約一百種礦物具有在此之前形成的殊榮，當時物質開始碰撞和結合形成太陽系。因此，如果天然準晶體確實是在天體物理條件下形成的——透過研究人員仍然不瞭解的機制——那麼它可以被新增到最早礦物的精選類別中。
這塊隕石在地球上的歷史也很奇特。正如斯坦哈特所講，佛羅倫薩博物館於1990年從阿姆斯特丹一位現已去世的私人收藏家那裡購買了它，作為10,000件樣品的批次交易的一部分。賓迪找到了這位收藏家的遺孀，她同意讓科學家們檢視秘密日記，其中包含有關在羅馬尼亞進行“交換”或走私行動的細節。經過進一步的調查工作，包括與一位曾幫助將岩石走私出境的俄羅斯前特工交談後，科學家們找到了 V. V. Kryachko，他於1979年首次在俄羅斯偏遠的楚科奇地區（與阿拉斯加隔著白令海峽）的粘性粘土中挖出了這塊岩石。斯坦哈特和他的同事們去年夏天跋涉到楚科奇考察了該遺址是否有準晶體的跡象，但尚未公佈他們的發現。
到目前為止，斯坦哈特說，尋找天然準晶體是極具回報的。“我學到了很多關於材料科學、地球，甚至是俄羅斯歷史的知識。這是一個不可抗拒的問題，它帶來了有趣而引人入勝的科學和非科學。” 他希望地質學家和礦物學家會繼續尋找不尋常的衍射模式——甚至在非金屬中。“我還沒有停止尋找其他天然準晶體，”他說。