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圖片來源：Wikipedia

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撰文｜達維德·卡斯特韋奇（Davide Castelvecchi）

翻譯｜王昱

審校 | 吳非

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科學家們一直在尋找準晶體——一種具有不尋常的、不重復的結(jié)構(gòu)，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(fā)現(xiàn)一種全新的準晶體。

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這種從未被人所知的物質(zhì)結(jié)構(gòu)由鐵、硅、銅和鈣組成，或許是由沙漠中的沙礫和銅纜融合而成。對于類似的材料，我們可以在實驗室中合成，也能在隕石中發(fā)現(xiàn)。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。

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不可能的對稱性

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準晶體由原子構(gòu)成，但與普通晶體不同的是，其中的原子并不會像磚塊堆疊那樣的形成密鋪的結(jié)構(gòu)。普通晶體以某些特定的角度旋轉(zhuǎn)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于晶體中的對稱性，例如五邊形對稱性（pentagonal symmetry）。如果整個準晶體旋轉(zhuǎn)五分之一周，那么它看起來應該是完全一樣的。

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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(fā)現(xiàn)了這種“不可能”的對稱性，它沿著每個方向旋轉(zhuǎn)時都具有五邊形對稱性。如果它是由正二十面體組成的，就會擁有這種性質(zhì)。很多研究者立馬質(zhì)疑了謝希特曼的發(fā)現(xiàn)，因為只用正二十面體填充整個空間，在數(shù)學上是不可能的。但最終，謝希特曼因為這個發(fā)現(xiàn)獲得了2011年的諾貝爾化學獎。

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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復三維結(jié)構(gòu)的可能性。這種結(jié)構(gòu)和正二十面體擁有相同的對稱性，但由幾種不同的“磚”構(gòu)成，而它們永遠不會以相同的樣式重復。這解釋了為何對稱晶體的數(shù)學理論沒有包含這種結(jié)構(gòu)。牛津大學的數(shù)學物理學家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）和其他研究者先前已經(jīng)在二維空間中發(fā)現(xiàn)了類似的樣式，并將其命名為彭羅斯密鋪（Penrose tilings）。

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斯坦哈特回憶起他1982年第一次看到謝希特曼的實驗數(shù)據(jù)，并和他的理論比較的場景?！拔覐淖雷优哉酒饋恚粗覀兊膱D案，找不到任何不同，”他說，“所以，這是一個令人震驚的時刻?！?/p>

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隨后的幾年中，材料學家陸續(xù)合成了幾種不同的準晶體，找到了更多在晶體結(jié)構(gòu)中被禁止的對稱性。后來，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(fā)現(xiàn)了自然產(chǎn)生的正二十面體。斯坦哈特表示，這種準晶體可能是在太陽系早期由兩顆小行星相撞形成的。一些實驗室制造的準晶體也通過材料的高速撞擊產(chǎn)生，因此斯坦哈特和他的團隊想知道核爆炸的沖擊波是否也能產(chǎn)生準晶體。

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切片和切塊

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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。之后，研究人員發(fā)現(xiàn)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）。

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圖片來源：Wikipedia

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钚裝藥的原子彈被放置在一個30米高的塔頂上，上面裝滿了傳感器及其線纜。研究人員發(fā)現(xiàn)，一些玻璃石有紅色的內(nèi)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(jié)果?！睖示w經(jīng)常由不會自然結(jié)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。

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“在十個月的時間里，我們一直在切片，尋找各種礦物，”斯坦哈特說，“最終，我們發(fā)現(xiàn)了一小粒。”這些準晶體和謝希特曼最初發(fā)現(xiàn)的相同，擁有五邊形對稱性。

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鹽湖城猶他大學的理論化學家瓦萊里婭·莫利內(nèi)羅（Valeria Molinero）說：“硅在結(jié)構(gòu)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后，我發(fā)現(xiàn)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”。

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與大多數(shù)一致的準晶體一樣，玻璃石結(jié)構(gòu)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，這對硅來說很罕見。硅元素通常以氧化形式出現(xiàn)在巖石中，想要去除其中的氧元素需要極端條件，例如沖擊波造成的高溫高壓環(huán)境。

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斯坦哈特認為，準晶體可以應用于核取證科學，因為它們可能會揭示秘密核試驗發(fā)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(chǎn)生，比如閃電熔巖，這是閃電擊中巖石、沙子和其他沉積物時產(chǎn)生的材料?！皽示w的傳奇將會繼續(xù)下去！”霍利斯特說。

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原文鏈接：

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


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