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美国从首次核试验现场发现神奇准晶体

一份新研究公布,科学家在美国76年前进行的第一次原子弹爆炸试验的废墟中找到了一粒准晶体(quasicrystal)。研究者认为,这可能是人类历史上第一次无意之中合成了这种神奇的材料。

美国从首次核试验现场发现神奇准晶体

玻璃石侧面图。

准晶体是一种非常特殊的晶体。其内部具有一般晶体那样对称的结构,但是却没有重复性的规律,或者说不具有平移的对称性。以前科学家曾认为这种物质是不存在的,直到1982年,以色列材料学家丹·谢赫特曼(Dan Shechtman)发现了这种物质的存在,并以此获得了诺贝尔奖。

在第二次世界大战期间,作为曼哈顿计划(Manhattan Project)的一部分,美国陆军于1945年7月16日在新墨西哥州的沙漠内进行了一次代号为“三位一体”(Trinity)的核试验。这次试验被看作是核子时代开始的象征。

爆炸后,硅酸盐组成的沙子被爆炸产生的大火球吸入升空,产生一些名为玻璃石(Trinitite)的矿物质再从天空散落至地面。

这些矿物质多数是绿色的,但是偶尔会发现一两块红色的,应该沙子熔合了试验记录设备上的氧化铜的缘故。直到现在,科学家还不明确究竟在怎样的条件下才会产生玻璃石。现场已经受到保护,从现场拿走任何石块都构成罪行。

美国从首次核试验现场发现神奇准晶体

最近,一份由意大利佛罗伦萨大学(University of Florence)和美国普林斯顿大学(Princeton University)联合完成的研究,在这些爆炸物的残骸中、一块只有1厘米长的红色玻璃石样品里面,发现了一粒准晶体。

研究人员知道高温、高压的环境是生成准晶体的部分条件,所以这个研究组想去调查三位一体核试验现场的残骸。

大部分准晶体都是金属合金。于是研究人员从样品中分离出12块金属物,用X光衍射技术分析。结果发现其中一块金属物不仅具有双重对称轴,还有三重和五重对称轴,这是只有准晶体才具有的特征。

研究人员表示,准晶体要在极端的条件和环境下才能产生,在此之前,人类不大可能有这样的环境造出准晶体,所以这次核试验应该是人类第一次无意之中合成了准晶体。

迄今为止人类发现的第一块自然生成的准晶体,是2010年从一块哈特卡(Khatyrka)陨石内发现。科学家认为这块陨石的来源可追溯到太阳系诞生的初期那样久远的年代。

威斯康星大学麦迪逊分校的化学家博纳米奇(Chloe Bonamici)说,这说明核爆火球内部是个很不寻常的环境,能够合成奇特的材料。具体来说,可能是核爆火球内蒸气和等离子体的冷凝过程起到重要的作用。现在很多人工合成的准晶体都要用到蒸汽沉积、等离子喷涂等类似的过程。

美国从首次核试验现场发现神奇准晶体

博纳米奇说,既然这个核试验现场能产生准晶体,说明其它核试验现场也会发现新的准晶体,这将有助于我们了解它们在自然界中产生所需的各种条件。“就目前而言,这粒小小的准晶体是一个更大的谜团里面的一个诱人的小谜团。”

这份研究将于6月1日发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)。

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