在1945年三位一体试验形成的三长岩中发现的罕见准晶体

1945年第一颗原子弹的爆炸三一测试产生了极端的温度和压力，使得周围的沙子融合成一种玻璃状的物质，称为三沸石。物理学家现在在其中一个三角岩样品中发现了一种被称为准晶体的稀有材料。根据一篇新论文发表在《美国国家科学院院刊》上，这是最古老的发现人为准晶体还清楚。

的晶体的定义假设原子的精确对称顺序是周期性的，在三维晶格中反复重复。无论你从哪个方向看，它们的图案看起来都是一样的，但准晶体是不同的。它们显然遵循数学规则，但每个细胞附近的细胞配置略有不同，而不是以相同的模式重复。正是这种独特的结构赋予了准晶体不寻常的特性。

想想给浴室地板铺瓷砖。瓷砖只能是特定的对称形状(三角形、正方形或六边形);否则，您将无法在不留下间隙或重叠贴图的情况下将它们组合在一起。五边形、二十面体和具有不同对称性的相似形状，但从不精确重复，这是不可能的，除非是准晶体，这是自然决定的可以工作。诀窍在于用其他种类的原子形状来填补空隙，从而创造出不太可能的非周期结构。

的准晶体的发现这是一个非常好的故事。在科学上处于劣势的是以色列物理学家丹尼尔·谢赫特曼(Daniel Shechtman)，他在1982年用电子显微镜检查铝锰合金样品。这个实验涉及到电子从样品中的原子上反弹，创造出亮区和暗区来指示原子本身的位置。谢赫特曼注意到一种奇怪的、非周期的衍射模式:一种看似不可能的十倍对称。随着故事的发展，他自言自语道:Eyn兴高采烈花王(希伯来语的意思是“不可能有这样的生物”)，因为它明显违反了150多年前建立的结晶学的已知规则。

谢赫特曼的同事对此表示怀疑是可以理解的;他所忍受的嘲笑也许是难以理解的(当时他实验室的负责人讽刺地建议他重读晶体学教科书)。但谢赫特曼坚持了下来，并最终彻底改变了该领域，重新定义了构成晶体固体的科学共识。如今，准晶体几乎是司空见惯的事，在实验室里经常合成100多种准晶体，用于外科手术器械、LED灯泡和不粘锅(它们是极好的绝缘体，因为它们表现出极差的导热性)。和谢赫特曼收到2011年诺贝尔化学奖。

2008年，随着第一个已知的准晶体的发现，准晶体再次引起了轰动天然准晶体．普林斯顿物理学家保罗·斯坦哈特(Paul Steinhardt)在研究佛罗伦萨大学(University of Florence)卢卡·宾迪(Luca Bindi)在博物馆收藏的岩石时，注意到其中一个样本中有一种非周期结构，表明它是准晶体。该样本于1979年收集，来自坠落在俄罗斯科里亚克山脉的一块陨石。斯坦哈特组织了一支探险队前往该地区，并驾驶牵引车对冰冻的苔原进行了梳理。在那里，他发现了更多含有准晶体的陨石碎片。

就像我写在Gizmodo2016年，加州理工学院的Paul Asimow、Steinhardt和其他人在所谓的哈蒂尔卡陨石中发现了准晶体形成的可能机制。他们使用某些稀有材料到极强的激波，结果表明准晶体可能在小行星带的碰撞中在岩石体中形成，然后以陨石的形式落向地球。

科学家们已经确定，卡蒂尔卡陨石在坠落到地球之前很久就经历了某种冲击事件——极有可能是在太阳系早期与小行星带中的另一个物体相撞。所以Asimow等．取一种铜铝合金样品——其成分与陨石中发现的二十面铁矿相似——放入容器中，用钽胶囊对其进行冲击，产生相当于20万大气压的能量。

现在Steinhardt, Asimow, Bindi和其他几位同事带着一篇新论文回来了发现了以前不为人知的准晶体在原子弹第一次爆炸时的红色三辉岩中。在这种情况下，由于曼哈顿计划的历史记录，我们确切地知道准晶体是在哪里以及如何形成的。

日出之前1945年7月16日在新墨西哥中部沙漠的阿拉莫戈多靶场，一个绰号为“小玩意”(Gadget)的核弹原型被吊到一座100英尺高的塔顶并引爆。爆炸使铁塔蒸发，产生的蘑菇云上升到38000多英尺。爆炸产生的热量融化了塔周围的沙土，变成了一种具有轻度放射性的玻璃状外壳，现在被称为三岩。冲击波的威力足以震碎120英里外的窗户。

形成的三角岩大部分来自主要由石英和长石组成的沙子，使其呈现出典型的绿色。但也有一些更稀有的样品，呈红色，也含有丰富的金属，因为沙子与来自测试塔和记录设备的金属熔合，最显著的是气化传输线中的氧化铜。研究人员对这些样品最感兴趣，因为迄今为止已知的准晶体都是类金属的合金。

研究小组首先使用背散射电子显微镜对样品进行观察，以发现各种可能含有准晶体的金属斑点。然后，研究人员将分离的金属斑点置于电子微探针下，并对其样品进行单晶x射线衍射分析。其结果是:确定了由铁、硅、铜和钙构成的具有五倍、三倍和两倍对称性的准晶体。在硅中产生这样的结构将需要核冲击波的极端高温和压力，尽管准晶可以在其他极端条件下形成，如闪电击中岩石或沉淀物电筒．

“硅在其结构中的主导地位是非常明显的，”犹他大学的理论化学家瓦莱里娅·莫里内罗(Valeria Molinero)并不是这篇论文的合著者，告诉《自然》杂志．“然而，在实验室中合成了许多准晶体后，我发现真正有趣的是，它们在自然界中是如此稀少。”斯坦哈特提供了一个可能的解释，认为元素和排列的不寻常组合可以解释它们的罕见。

在未来，有可能创造出具有自定义磁或电特性的准晶体。据报道，犹他大学的科学家已经证明，超声波可以用来将水中的碳纳米颗粒组织成准晶体中发现的相同的非周期模式发表的一篇论文在上个月的《物理评论快报》上

论文的合著者Fernando Guevara和他的合作者将四对超声波换能器设置成八角形，然后将碳纳米颗粒悬浮在实验八角形的水中。然后他们打开换能器，超声波引导纳米颗粒进入准周期排列。通过将纳米颗粒悬浮在液体聚合物中，应该可以制造出具有这种图案的实际材料，一旦图案成型，这种材料就可以固化和硬化。

“(准晶体)已被证明比类似的周期性或无序材料更坚硬。它们还可以导电或以不同于晶体的方式散射波。”说格瓦拉．“关键是，通过这种方法，我们可以创造出2D或3D的准周期材料，通过选择如何安排超声换能器和如何驱动它们，本质上可以拥有任何常见的准周期对称性。”

DOI: PNAS上,2021年。10.1073 / pnas.2101350118．

DOI:《物理评论快报》，2021年。10.1103 / PhysRevLett.126.145501（对必须）.