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一种"不可能"出现的物质,在第一次核爆炸中出现了
2022-07-28

准晶体的结构一度充满争议,这种几乎不可能在自然界存在的物质,拥有晶体不可能拥有的对称性。而现在,研究者在1945年的核试验遗址中发现了它。

图片来源:Wikipedia

撰文|达维德·卡斯特韦奇(Davide Castelvecchi)

翻译|王昱

审校 | 吴非

科学家们一直在寻找准晶体——一种具有不寻常的、不重复的结构,被称为“不可能”存在的材料。如今,他们在世界上首个核试验的遗址中发现一种全新的准晶体。

这种从未被人所知的物质结构由铁、硅、铜和钙组成,或许是由沙漠中的沙砾和铜缆融合而成。对于类似的材料,我们可以在实验室中合成,也能在陨石中发现。但这一次,《美国科学院院刊》的最新论文所描述的,是首个由上述元素混合形成的准晶体。

不可能的对称性

准晶体由原子构成,但与普通晶体不同的是,其中的原子并不会像砖块堆叠那样的形成密铺的结构。普通晶体以某些特定的角度旋转时,看起来是完全一样的。但准晶体拥有的则是被认为不可能存在于晶体中的对称性,例如五边形对称性(pentagonal symmetry)。如果整个准晶体旋转五分之一周,那么它看起来应该是完全一样的。

1982年,以色列海法理工学院的材料学家丹尼尔·谢希特曼(DanielShechtman)首次在一种合金中发现了这种“不可能”的对称性,它沿着每个方向旋转时都具有五边形对称性。如果它是由正二十面体组成的,就会拥有这种性质。很多研究者立马质疑了谢希特曼的发现,因为只用正二十面体填充整个空间,在数学上是不可能的。但最终,谢希特曼因为这个发现获得了2011年的诺贝尔化学奖。

大约在同一时间,普林斯顿大学的理论物理学家保罗·斯坦哈特(PaulSteinhardt)和同事开始从理论上说明非重复三维结构的可能性。这种结构和正二十面体拥有相同的对称性,但由几种不同的“砖”构成,而它们永远不会以相同的样式重复。这解释了为何对称晶体的数学理论没有包含这种结构。牛津大学的数学物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)和其他研究者先前已经在二维空间中发现了类似的样式,并将其命名为彭罗斯密铺(Penrose tilings)。

斯坦哈特回忆起他1982年第一次看到谢希特曼的实验数据,并和他的理论比较的场景。“我从桌子旁站起来,看着我们的图案,找不到任何不同,”他说,“所以,这是一个令人震惊的时刻。”

随后的几年中,材料学家陆续合成了几种不同的准晶体,找到了更多在晶体结构中被禁止的对称性。后来,斯坦哈特和他的同事在东西伯利亚堪察加半岛的一块陨石碎片中,首次发现了自然产生的正二十面体。斯坦哈特表示,这种准晶体可能是在太阳系早期由两颗小行星相撞形成的。一些实验室制造的准晶体也通过材料的高速撞击产生,因此斯坦哈特和他的团队想知道核爆炸的冲击波是否也能产生准晶体。

切片和切块

1945年7月16日,第一次核爆炸在美国新墨西哥州的阿拉莫戈多试验场实施。之后,研究人员发现了一大片由沙漠液化成的棕绿色玻璃材料。他们称这为玻璃石(Trinitite)。

图片来源:Wikipedia

钚装药的原子弹被放置在一个30米高的塔顶上,上面装满了传感器及其线缆。研究人员发现,一些玻璃石有红色的内含物。斯坦哈特说:“这是自然材料和输电线路中的铜融合的结果。”准晶体经常由不会自然结合的元素形成,所以斯坦哈特和同事认为红色玻璃石样本是个寻找准晶体的好地方。

“在十个月的时间里,我们一直在切片,寻找各种矿物,”斯坦哈特说,“最终,我们发现了一小粒。”这些准晶体和谢希特曼最初发现的相同,拥有五边形对称性。

盐湖城犹他大学的理论化学家瓦莱里娅·莫利内罗(ValeriaMolinero)说:“硅在结构中的主导地位非常明显。然而,在实验室中合成了许多准晶体后,我发现真正耐人寻味的是,它们在自然界中非常稀缺。”斯坦哈特说,这可能是因为准晶体的形成涉及到“不常见的元素混合和不常见的排列”。

与大多数一致的准晶体一样,玻璃石结构似乎是一种合金——一种由浸泡在电子海洋中的正离子组成的金属材料。普林斯顿的地球科学家林肯·霍利斯特(Lincoln Hollister)表示,这对硅来说很罕见。硅元素通常以氧化形式出现在岩石中,想要去除其中的氧元素需要极端条件,例如冲击波造成的高温高压环境。

斯坦哈特认为,准晶体可以应用于核取证科学,因为它们可能会揭示秘密核试验发生的地点。准晶体也可能在其他极端条件下在其他材料中产生,比如闪电熔岩,这是闪电击中岩石、沙子和其他沉积物时产生的材料。“准晶体的传奇将会继续下去!”霍利斯特说。

原文链接:

https://www.scientificamerican.com/article/first-nuclear-detonation-created-impossible-quasicrystals/