第一枚原子弹创造了这种“禁忌”的准晶体

核时代始于 1945 年 7 月 16 日凌晨 5:30，当时美国政府在新墨西哥州的沙漠上空引爆了一枚钚驱动的内爆装置（绰号“Gadget”）。在一瞬间，爆炸释放了相当于 21,000 吨 TNT 的能量——足以汽化周围的基础设施，并将沙漠的沙子卷入一个炽热、加压的火球中，喷出了三硝基玻璃。

绝大多数玻璃都是淡绿色的，这归因于其石英和长石的成分。但在该区域的一个地方，科学家们回收了不寻常的、血红色的三硝基玻璃样品，这些样品中融入了测试现场被摧毁的 30 米高塔楼和数英里电线的金属。在其中一个样品深处隐藏着更不寻常的东西——一种被称为准晶体的“禁忌”物质——但直到近八十年后，科学家们才开始寻找它。

在这篇今年早些时候发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of the Sciences) 上的论文中，发现它的研究人员估计，这种准晶体形成于高于 2700 华氏度的温度和 5000 至 8000 帕斯卡的压力下。对我们普通人来说，这感觉就像躺在一个火山里，同时有一个抱着数千头大象（可能垂直叠放）的人站在你身上。

“材料形成的条件非常不寻常，所以核爆炸会产生像准晶体这样真正奇怪的东西，这并不奇怪，”威斯康星大学麦迪逊分校的地球化学家 Chloë Bonamici 说，她没有参与这项研究。“这种新的准晶体不仅是最古老的人造准晶体——其时间戳和起源地已经永久地刻在了历史中——而且它很可能还会彻底改变核法证学的领域。”

Bonamici 这样的科学家，他们致力于了解过去原子武器的组成，通常必须分析放射性碎片或气体，但这些特征衰变得相对较快。然而，准晶体是其形成核火球内部条件的永久物理指纹。Bonamici 希望通过开发法证工具来阻止未来的恐怖行为，这些工具能让她“获取爆炸材料，了解武器的特征，并迅速追踪 [责任人]”。准晶体可以成为这样的工具。

注意缺口

长期以来，人们认为晶体——如糖、盐或钻石——需要有规律的重复图案。以二维为例，想象一下一个棋盘，每个角都有一个原子。与此同时，数学家和科学家们都认为准晶体的想法纯属理论，因为它们的图案不会以可预测的方式重复。

“考虑一下使用相同的瓷砖来铺浴室地板的问题，你就能体会到为什么会这样，”论文的合著者、理论物理学家 Paul Steinhardt 说。“可以想见，你希望使用不会留下任何空隙的形状。”

他表示，要做到这一点，你需要一种瓷砖形状，当围绕一个点排列时，其角度能达到完整的 360 度。你有多种选择：六个等边三角形、四个正方形，或者如果你胆子大的话，甚至可以是三个正六边形。然而，用正五边形铺砖会带来麻烦。每个内角为 108 度，三个正五边形会留下空隙，而四个则会重叠。

晶体学的基本定律认为，基于这个原因，五重对称（或者八重、十重和十二重对称）不应该起作用——除非涉及到准晶体。在极端的温度和压力组合下，任何剩余的空隙都会被其他原子形状填充，从而产生一种类似于三维马赛克的准周期图案。

在压力之下

1984 年，Steinhardt 的研究小组创造了“准晶体”（或“准周期晶体”）这个术语，并论证了五重对称和更高对称性在原子排列中的假设存在性。同年晚些时候，以色列化学家 Daniel Shechtman 用相同的图案创造了一种铝和锰的合金，Steinhardt 开始想知道准晶体是否在自然界中存在。

他一生的寻宝之旅最终将他引向了佛罗伦萨自然历史博物馆的矿物收藏，并从那里——借助一位已故宝石走私者的秘密日记——他表示，他找到了位于俄罗斯远东的一个小溪。

在那里，他和同事 Luca Bindi 发现了形成于 45 亿年前一颗陨石内部的准晶体，这可以追溯到我们太阳系的早期。

Steinhardt 说，该团队表明，形成过程的一个关键部分是小行星之间的高速碰撞，这导致了高压冲击。“我们设想准晶体也可能在其他高压冲击碰撞中形成。为什么不能是原子弹爆炸呢？”

今年早些时候从红色三硝基玻璃样品中提取出的准晶体，是第一个包含铁、硅、铜和钙的组合的准晶体。Steinhardt 表示，尽管自 1984 年以来已经发现了 100 多种准晶体，但可能存在无限多的可能性——每种都有其独特的弹性、电子和光子特性，这与其原子的周期性排列有关。研究已经表明，这些材料比由相同元素制成的晶体更硬。而且，它们的数学完美度越高，导电性就越低。

Steinhardt 的研究小组致力于创造“光子准晶体”，它们充当光的半导体，并形成近乎完美的球形对称带隙。这一特性在电路设计中很有用，可以在未来的计算机和通信设备中使用。

他说，随着科学家们在实验室中研制出更多的元素组合，或在偏远的原子爆炸地点发现它们，他们可能会偶然发现一种适用于各种应用的准晶体。