@ 2021.05.22 , 15:23

人类第一次核试验意外生成了“不该存在”的晶体

1945年7月16日清晨5点29分,在美国新墨西哥州,人类历史进入了令人不安的新篇章。

当美国陆军引爆 诨名为"小装置" 的钚内爆炸弹后,黎明的宁静被撕开——世界上第一次核弹试验,也被称为Trinity test。释放的当量相当于21千吨TNT炸药。

30米高的试验塔和连接试验塔与录音设备的数英里长的铜线被蒸发。由此产生的火球将塔和铜与下面的沥青和沙漠沙子融合成绿色玻璃——一种叫做三硝石的矿物质。

几十年后,科学家们才发现,那块辉绿岩中隐藏着一个秘密——那是被称为准晶体的罕见物质形式。

洛斯阿拉莫斯国家实验室的地球物理学家特里·华莱士解释说:"准晶体只能出现于地球上特别罕见的极端环境里。它们需要一个具有极端冲击、超高温度和强压力的破坏性事件。大自然通常凑不齐那些条件,除非是像核爆炸这样的戏剧性事件。"

大多数晶体,从简陋的食盐到最坚硬的钻石,都遵守同样的规则:它们的原子三维空间重复排列,形成所谓的晶格结构。准晶体打破了这一规则——其原子排列的模式不重复。

当Dan Shechtman于1984年首次提出这一概念时,科学界认为他在胡言乱语。当时最伟大的化学家、两次获得诺贝尔奖的莱纳斯·鲍林Linus Pauling公开嘲讽道:“世界上根本就没有什么准晶体,只有准科学家。”

直到我们在实验室和自然的陨石中,真的发现了这一结构。Shechtman凭“胡说八道”而获得了诺贝尔奖。

最早的准晶材料是一种含有铝元素的金属合金,Shechtman因此在2011年被授予了诺贝尔化学奖。

准晶体,亦称为“准晶”或“拟晶”,是一种介于晶体和非晶体之间的固体结构。在准晶的原子排列中,其结构是长程有序的,这一点和晶体相似;但是准晶不具备平移对称性,这一点又和晶体不同。普通晶体具有的是二次、三次、四次或六次旋转对称性,但是准晶的布拉格衍射图具有其他的对称性,例如五次对称性或者更高的六次以上对称性。

今天,此类晶体的发现被认为是晶体学研究中的一次突破,同时,它们也具有很高的应用价值。

目前主要被用于各种仪器的不粘或防腐涂层,但晚近的研究显示,准晶体可以操纵光线,具有充当隐形材料的潜质。

由于知道产生准晶体需要极端的条件,由意大利佛罗伦萨大学的地质学家Luca Bindi领导的一个科学家小组决定仔细研究三硝石。但不是通常那种绿色的东西。

尽管准晶体并不常见,但我们已经看到过足够多样本,知道它们往往含有金属元素,因此该团队去寻找一种更为罕见的矿物形式——红色三叶石,由于其中含有蒸发的铜,所以它是红色的。

利用扫描电子显微镜和X射线衍射等技术,他们分析了6个小型的红三叶石样品。最后,他们在其中一个样品中有所收获——由硅、铜、钙和铁组成的微小的20面晶粒,具有在传统晶体中不可能有的五重旋转对称性——蘑菇云下的"意外"。

"这种准晶体在复杂性方面非常壮观。没有人能够告诉我们为什么它长成这样。但总有一天,科学家或工程师会弄清楚这一点。然后,我希望,我们可以利用这些知识来全面地理解核爆炸过程。"

这块是已知最古老的人造准晶,表明可能还有其他形成类晶体的自然途径。例如,由雷击造成的熔沙的闪电石,以及来自流星撞击地点的材料,都可能是野外准晶体的来源。

研究人员说,这项研究的最终目的是遏制核军备的扩散。在其他核试验场可以发现更多的准晶体,其热力学特性可以成为核取证的工具。

"我们通常采用分析放射性尘埃和气体,以了解武器的构造、包含哪些材料,但是这些特征会衰变。在核爆炸现场形成的准晶有可能揭示全新的信息,因为它们会永远存在。"

这项研究已经发表在PNAS上。

https://www.sciencealert.com/the-world-s-first-nuclear-bomb-test-forged-an-impossible-quasicrystal


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