第一颗原子弹创造了这种“被禁止的”准晶体

1945 年 7 月 16 日凌晨 5 点 30 分，美国政府在新墨西哥沙漠上空引爆了一个钚动力内爆装置（绰号“小工具”），核时代开始了。在几分之一秒内，爆炸释放了相当于 21,000 吨 TNT 的物质——足以蒸发周围的基础设施并将沙漠沙子扫成一个热的、加压的火球，喷出三聚氰胺玻璃。由于石英和长石的成分，绝大多数玻璃呈淡绿色。但在该站点的一个区域，科学家们从测试站点被摧毁的 30 米高塔和数英里长的电线中恢复了不寻常的、血红色的三位一体样本，这些样本充满了金属。隐藏在其中一个样本深处的是一种更不寻常的东西——一种被称为准晶体的“禁止”物质——但在科学家们开始寻找它之前，已经过去了近八年。在今年早些时候发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中，其发现背后的研究人员估计，准晶体在 2700 华氏度以上的温度和 5000 至 8000 帕斯卡的压力下形成。对你和我来说，感觉就像躺在火山里，而有人背着成千上万头大象（大概是垂直堆叠的）站在你的背上。在新墨西哥州阿拉莫戈多的三位一体测试中产生的蘑菇云在爆炸后仅 9 秒显示，伸展超过 7 英里高。 （图片来源：Everett Collection/Shutterstock）“这是一组非常不寻常的材料形成条件，因此[核爆炸]会产生一些非常奇怪的东西，比如准晶体，这并不奇怪，”地球化学家科洛·博纳奇 (Chloë Bonamici) 说。威斯康星大学麦迪逊分校没有参与这项研究。最新的准晶体不仅是已知最古老的人造准晶体——时间戳和起源位置已经永久地刻在历史中——而且它也可能会改变核法医学领域。像 Bonamici 这样寻求了解过去原子武器部件的科学家通常必须分析放射性碎片或气体，但这些特征相对较快地衰减。然而，准晶体是它形成的核火球内部条件的永久物理指纹。 Bonamici 希望通过开发法医工具来阻止未来的恐怖行为，使她能够“从爆炸中获取材料，了解武器的特征并快速追踪 [谁负责]。”准晶体可以成为这样的工具。长期以来，人们认为晶体——如糖、盐或钻石——需要有规律地重复图案。对于二维示例，想象一个棋盘，每个角都有一个原子。与此同时，数学家和科学家都将准晶体的想法视为纯理论，因为它们的模式不会以可预测的方式重复。

该论文的合著者、理论物理学家保罗·斯坦哈特 (Paul Steinhardt) 说：“通过考虑使用相同的瓷砖铺设浴室地板的问题，您可以了解为什么会这样。 “大概，你想使用中间没有空格的形状。”他说，要实现这一点，您需要一个瓷砖形状，当围绕单个点排列时，其角度等于 360 度。您有多种选择：六个等边三角形、四个正方形，如果您愿意，甚至可能是三个六边形。然而，用常规五边形平铺会带来麻烦。每个内角为 108 度，三个五边形留下一个间隙，四个开始重叠。数学家罗杰·彭罗斯 (Roger Penrose) 之前发现了二维的有序、非重复模式，称为彭罗斯平铺。他的图案由两种以不同速率重复的瓷砖组成。 （来源：microvictor/Shutterstock）晶体学的基本定律表明，五重对称（或八重、十重对称和十二重对称）不应该出于这个原因——除非涉及准晶体。通过适当的极端热量和压力混合物，任何剩余的间隙都将被其他原子形状填充，以产生让人联想到 3D 马赛克的准周期性图案。 1984 年，Steinhardt 的研究小组创造了术语“准晶体”（或“准周期晶体”），并论证了原子排列中五重对称性和更高对称性的假设存在。同年晚些时候，当以色列化学家丹尼尔·谢赫特曼（Daniel Shechtman）创造出一种具有相同图案的铝锰合金时，斯坦哈特开始怀疑准晶体是否存在于自然界中。他说，职业生涯的寻宝最终将他带到了佛罗伦萨自然历史博物馆的矿物学收藏品，并从那里——在已故宝石走私者的秘密日记的帮助下——到达了俄罗斯远东地区的一条小溪。在那里，他和同事 Luca Bindi 回收了形成于 45 亿年前的陨石内部的准晶体，其历史可以追溯到我们太阳系的开端。

Steinhardt 说，该团队表明，形成过程的一个关键部分是小行星之间的高速撞击，导致高压冲击，并补充说，所有已知的准晶体以前都是在实验室中通过缓慢冷却元素的液体组合制造的。 “我们想象准晶体也可能在其他高压冲击碰撞下形成。为什么不是原子弹？” Trinity Site 国家地标历史遗址的游客，世界上第一颗原子弹于 1945 年在此引爆。该遗址目前每年向公众开放两次。 （图片来源：Aaron Rayburn/Shutterstock）今年早些时候从红色三元岩样品的凹槽中提取的准晶体是第一个包含铁、硅、铜和钙的组合。尽管自 1984 年以来已经发现了 100 多种准晶体，但 Steinhardt 说可能存在无数种可能性——每一种都有自己的弹性、电子和光子特性，这些特性与其原子的周期性排序相关。研究表明，这些材料比由相同元素制成的晶体更硬。它们在数学上越完美，导电性就越低。 Steinhardt 自己的研究小组致力于创造“光子准晶体”，它充当光的半导体并形成近乎完美的球对称带隙。该特征在电路设计中是可取的，并且可以用于未来的计算机和通信设备中。他说，随着科学家在实验室中激发更多元素组合或在偏远的原子爆炸地点发现它们，他们可能会偶然发现一种对各种应用都有用的准晶体。