科學視點：一種不可能出現的物質，在第一次核爆炸中出現了


圖片來源：Wikipedia
科學家們一直在尋找準晶體——一種具有不尋常的、不重複的結構，被稱為“不可能”存在的材料。如今，他們在世界上首個核試驗的遺址中發現一種全新的準晶體。
這種從未被人所知的物質結構由鐵、矽、銅和鈣組成，或許是由沙漠中的沙礫和銅纜融合而成。對於類似的材料，我們可以在實驗室中合成，也能在隕石中發現。但這一次，《美國科學院院刊》的最新論文所描述的，是首個由上述元素混合形成的準晶體。
不可能的對稱性
準晶體由原子構成，但與普通晶體不同的是，其中的原子並不會像磚塊堆疊那樣的形成密鋪的結構。普通晶體以某些特定的角度旋轉時，看起來是完全一樣的。但準晶體擁有的則是被認為不可能存在於晶體中的對稱性，例如五邊形對稱性（pentagonal symmetry）。如果整個準晶體旋轉五分之一周，那麽它看起來應該是完全一樣的。
1982年，以色列海法理工學院的材料學家丹尼爾·謝希特曼（Daniel Shechtman）首次在一種合金中發現了這種“不可能”的對稱性，它沿著每個方向旋轉時都具有五邊形對稱性。如果它是由正二十麵體組成的，就會擁有這種性質。很多研究者立馬質疑了謝希特曼的發現，因為隻用正二十麵體填充整個空間，在數學上是不可能的。但最終，謝希特曼因為這個發現獲得了2011年的諾貝爾化學獎。


Daniel Shechtman，圖片來源：www.qingdaonews.com
大約在同一時間，普林斯頓大學的理論物理學家保羅·斯坦哈特（Paul Steinhardt）和同事開始從理論上說明非重複三維結構的可能性。這種結構和正二十麵體擁有相同的對稱性，但由幾種不同的“磚”構成，而它們永遠不會以相同的樣式重複。這解釋了為何對稱晶體的數學理論沒有包含這種結構。牛津大學的數學物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）和其他研究者先前已經在二維空間中發現了類似的樣式，並將其命名為彭羅斯密鋪（Penrose tilings）。
斯坦哈特回憶起他1982年第一次看到謝希特曼的實驗數據，並和他的理論比較的場景。“我從桌子旁站起來，看著我們的圖案，找不到任何不同，”他說，“所以，這是一個令人震驚的時刻。”
隨後的幾年中，材料學家陸續合成了幾種不同的準晶體，找到了更多在晶體結構中被禁止的對稱性。後來，斯坦哈特和他的同事在東西伯利亞堪察加半島的一塊隕石碎片中，首次發現了自然產生的正二十麵體。斯坦哈特表示，這種準晶體可能是在太陽係早期由兩顆小行星相撞形成的。一些實驗室製造的準晶體也通過材料的高速撞擊產生，因此斯坦哈特和他的團隊想知道核爆炸的衝擊波是否也能產生準晶體。
切片和切塊
1945年7月16日，第一次核爆炸在美國新墨西哥州的阿拉莫戈多試驗場實施。之後，研究人員發現了一大片由沙漠液化成的棕綠色玻璃材料。他們稱這為玻璃石（Trinitite）。


準晶體的衍射，圖片來源：baike.baidu***.com
鈈裝藥的原子彈被放置在一個30米高的塔頂上，上麵裝滿了傳感器及其線纜。研究人員發現，一些玻璃石有紅色的內含物。斯坦哈特說：“這是自然材料和輸電線路中的銅融合的結果。”準晶體經常由不會自然結合的元素形成，所以斯坦哈特和同事認為紅色玻璃石樣本是個尋找準晶體的好地方。
“在十個月的時間裏，我們一直在切片，尋找各種礦物，”斯坦哈特說，“最終，我們發現了一小粒。”這些準晶體和謝希特曼最初發現的相同，擁有五邊形對稱性。
鹽湖城猶他大學的理論化學家瓦萊裏婭·莫利內羅（Valeria Molinero）說：“矽在結構中的主導地位非常明顯。然而，在實驗室中合成了許多準晶體後，我發現真正耐人尋味的是，它們在自然界中非常稀缺。”斯坦哈特說，這可能是因為準晶體的形成涉及到“不常見的元素混合和不常見的排列”。
與大多數一致的準晶體一樣，玻璃石結構似乎是一種合金——一種由浸泡在電子海洋中的正離子組成的金屬材料。普林斯頓的地球科學家林肯·霍利斯特（Lincoln Hollister）表示，這對矽來說很罕見。矽元素通常以氧化形式出現在岩石中，想要去除其中的氧元素需要極端條件，例如衝擊波造成的高溫高壓環境。
斯坦哈特認為，準晶體可以應用於核取證科學，因為它們可能會揭示秘密核試驗發生的地點。準晶體也可能在其他極端條件下在其他材料中產生，比如閃電熔岩，這是閃電擊中岩石、沙子和其他沉積物時產生的材料。“準晶體的傳奇將會繼續下去！”霍利斯特說。
撰文：達維德·卡斯特韋奇（Davide Castelvecchi）
翻譯：王昱
審校：吳非
引進來源：科學美國人


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