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研究人員發(fā)現(xiàn)這種紅色玻璃石樣品含有一種以前未知的準(zhǔn)晶體。圖片來源：Luca Bindi，Paul J.Steinhardt

本報(bào)訊?科學(xué)家一直在尋找準(zhǔn)晶體，它有5重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸，即沿z軸旋轉(zhuǎn)72度，但沒有一般晶體所具有的平移對(duì)稱性。

據(jù)《自然》報(bào)道，這種以前不為人知的晶體結(jié)構(gòu)由鐵、硅、銅和鈣組成，很可能是由沙子和銅線熔合而成的。類似的材料已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室被合成，并在隕石中被鑒定出來。

5月17日發(fā)表于美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》的研究，報(bào)道了第一個(gè)具有這種元素組合的在核爆炸中產(chǎn)生的準(zhǔn)晶體。

1982年，以色列理工學(xué)院材料科學(xué)家Daniel Shechtman首次在一種合成金屬中發(fā)現(xiàn)了這種具有“不可能對(duì)稱”的晶體。該晶體在各種可能的方向上旋轉(zhuǎn)時(shí)呈五邊形對(duì)稱，即它有規(guī)則的20個(gè)面。 Shechtman最終因這一發(fā)現(xiàn)獲得了2011年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

與此同時(shí)，普林斯頓大學(xué)理論物理學(xué)家Paul Steinhardt與合作者開始推算非重復(fù)3D結(jié)構(gòu)存在的可能性。這些晶體與二十面體具有相同的對(duì)稱性。

Steinhardt回憶說，1982年，他第一次看到Shechtman的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將其與他的理論預(yù)測(cè)進(jìn)行了比較。

在隨后的幾年里，材料科學(xué)家合成了幾種準(zhǔn)晶體。Steinhardt和同事在東西伯利亞堪察加半島的隕石碎片中發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)自然形成的“二十面石”。

Steinhardt說，這種準(zhǔn)晶體可能是在太陽系早期的兩顆小行星碰撞過程中形成的。一些實(shí)驗(yàn)室制造的準(zhǔn)晶體也是通過材料高速粉碎產(chǎn)生的，所以Steinhardt團(tuán)隊(duì)想知道核爆炸的沖擊是否也能形成準(zhǔn)晶體。

1945年7月16日，在新墨西哥州阿拉莫戈多試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行的史上第一次核彈爆炸試驗(yàn)后，研究人員發(fā)現(xiàn)了一片由沙漠砂礫熔化而成的綠色玻璃狀物質(zhì)，他們將其稱為玻璃石。

由于钚炸彈是在一個(gè)30米高的塔頂引爆的，那里裝有傳感器和電纜，因此一些玻璃石含有紅色的內(nèi)含物。準(zhǔn)晶體通常由不會(huì)結(jié)合的元素構(gòu)成，所以Steinhardt和同事認(rèn)為紅色玻璃石樣品是尋找準(zhǔn)晶體的好地方。

Steinhardt說：“在10個(gè)月里，我們切割觀察了各種各樣的礦物，最后發(fā)現(xiàn)了一個(gè)小顆粒?！痹摐?zhǔn)晶體與Shechtman最初發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)晶體具有相同的二十面體對(duì)稱性。

像大多數(shù)已知的準(zhǔn)晶體一樣，玻璃石結(jié)構(gòu)是一種合金——類似金屬的材料，由正離子組成。

Steinhardt認(rèn)為，準(zhǔn)晶體可用于核鑒定科學(xué)，因?yàn)樗鼈兛梢越沂竞嗽囼?yàn)地點(diǎn)。準(zhǔn)晶體也可能在其他惡劣條件產(chǎn)生的物質(zhì)中形成，比如閃電擊中巖石、沙子或其他沉積物時(shí)產(chǎn)生的閃電石。（唐一塵）

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1073/pnas.2101350118