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圖片來(lái)源：Wikipedia

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撰文｜達(dá)維德·卡斯特韋奇（Davide Castelvecchi）

翻譯｜王昱

審校 | 吳非

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科學(xué)家們一直在尋找準(zhǔn)晶體——一種具有不尋常的、不重復(fù)的結(jié)構(gòu)，被稱為“不可能”存在的材料。如今，他們?cè)谑澜缟鲜讉€(gè)核試驗(yàn)的遺址中發(fā)現(xiàn)一種全新的準(zhǔn)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(duì)于類似的材料，我們可以在實(shí)驗(yàn)室中合成，也能在隕石中發(fā)現(xiàn)。但這一次，《美國(guó)科學(xué)院院刊》的最新論文所描述的，是首個(gè)由上述元素混合形成的準(zhǔn)晶體。

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不可能的對(duì)稱性

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準(zhǔn)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(huì)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(shí)，看起來(lái)是完全一樣的。但準(zhǔn)晶體擁有的則是被認(rèn)為不可能存在于晶體中的對(duì)稱性，例如五邊形對(duì)稱性（pentagonal symmetry）。如果整個(gè)準(zhǔn)晶體旋轉(zhuǎn)五分之一周，那么它看起來(lái)應(yīng)該是完全一樣的。

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1982年，以色列海法理工學(xué)院的材料學(xué)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(duì)稱性，它沿著每個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)都具有五邊形對(duì)稱性。如果它是由正二十面體組成的，就會(huì)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?yàn)橹挥谜骟w填充整個(gè)空間，在數(shù)學(xué)上是不可能的。但最終，謝希特曼因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)獲得了2011年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

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大約在同一時(shí)間，普林斯頓大學(xué)的理論物理學(xué)家保羅·斯坦哈特（Paul Steinhardt）和同事開始從理論上說(shuō)明非重復(fù)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(duì)稱性，但由幾種不同的“磚”構(gòu)成，而它們永遠(yuǎn)不會(huì)以相同的樣式重復(fù)。這解釋了為何對(duì)稱晶體的數(shù)學(xué)理論沒(méi)有包含這種結(jié)構(gòu)。牛津大學(xué)的數(shù)學(xué)物理學(xué)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并和他的理論比較的場(chǎng)景?！拔覐淖雷优哉酒饋?lái)，看著我們的圖案，找不到任何不同，”他說(shuō)，“所以，這是一個(gè)令人震驚的時(shí)刻?！?/p>

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隨后的幾年中，材料學(xué)家陸續(xù)合成了幾種不同的準(zhǔn)晶體，找到了更多在晶體結(jié)構(gòu)中被禁止的對(duì)稱性。后來(lái)，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(zhǔn)晶體可能是在太陽(yáng)系早期由兩顆小行星相撞形成的。一些實(shí)驗(yàn)室制造的準(zhǔn)晶體也通過(guò)材料的高速撞擊產(chǎn)生，因此斯坦哈特和他的團(tuán)隊(duì)想知道核爆炸的沖擊波是否也能產(chǎn)生準(zhǔn)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(guó)新墨西哥州的阿拉莫戈多試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)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(lái)源：Wikipedia

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钚裝藥的原子彈被放置在一個(gè)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(shuō)：“這是自然材料和輸電線路中的銅融合的結(jié)果?！睖?zhǔn)晶體經(jīng)常由不會(huì)自然結(jié)合的元素形成，所以斯坦哈特和同事認(rèn)為紅色玻璃石樣本是個(gè)尋找準(zhǔn)晶體的好地方。

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“在十個(gè)月的時(shí)間里，我們一直在切片，尋找各種礦物，”斯坦哈特說(shuō)，“最終，我們發(fā)現(xiàn)了一小粒?！边@些準(zhǔn)晶體和謝希特曼最初發(fā)現(xiàn)的相同，擁有五邊形對(duì)稱性。

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鹽湖城猶他大學(xué)的理論化學(xué)家瓦萊里婭·莫利內(nèi)羅（Valeria Molinero）說(shuō)：“硅在結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)地位非常明顯。然而，在實(shí)驗(yàn)室中合成了許多準(zhǔn)晶體后，我發(fā)現(xiàn)真正耐人尋味的是，它們?cè)谧匀唤缰蟹浅Ｏ∪??！彼固构卣f(shuō)，這可能是因?yàn)闇?zhǔn)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(zhǔn)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(xué)家林肯·霍利斯特（Lincoln Hollister）表示，這對(duì)硅來(lái)說(shuō)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(rèn)為，準(zhǔn)晶體可以應(yīng)用于核取證科學(xué)，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)揭示秘密核試驗(yàn)發(fā)生的地點(diǎn)。準(zhǔn)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(shí)產(chǎn)生的材料。“準(zhǔn)晶體的傳奇將會(huì)繼續(xù)下去！”霍利斯特說(shuō)。

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原文鏈接：

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


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