世界上第一次核爆炸創造了一種罕見的物質

80 年前的今天，1945 年 7 月 16 日凌晨 5 點 29 分，在新墨西哥州，一段可怕的歷史被創造下來。

當美國陸軍引爆一種被稱為 Gadget 的钚內爆裝置時，黎明的平靜被打破——這是世界上第一次核彈試驗，被稱為 Trinity 試驗。這一刻將永遠改變戰爭。

釋放的能量相當于 21 千噸 TNT，蒸發了 30 米（98 英尺）的測試塔和將其連接到記錄設備的數英里長的銅線。由此產生的火球將塔樓和銅與下面的瀝青和沙漠沙子融合成綠色玻璃——一種稱為三長石的新礦物。

幾十年后，科學家們發現了隱藏在一塊三位一體石中的秘密——一種被稱為準晶體，曾經被認為是不可能的。

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“準晶體是在地球上罕見的極端環境中形成的，”解釋洛斯阿拉莫斯國家實驗室的地球物理學家特里·華萊士 （Terry Wallace） 于 2021 年。

“他們需要具有極端沖擊、溫度和壓力的創傷事件。我們通常不會看到這種情況，除非在像核爆炸這樣戲劇性的事情中。

大多數晶體，從不起眼的食鹽到最堅韌的鉆石，都遵循相同的規則：它們的原子排列成晶格結構，在三維空間中重復。準晶體打破了這個規則——它們的原子排列模式不重復。

當這個概念于 1984 年首次出現在科學界時，人們認為這是不可能的：晶體要么是有序的，要么是無序的，沒有中間地帶。然后他們真的被找到了，兩者都在實驗室環境中創建在野外——隕石深處，由超高速撞擊等事件的熱力學沖擊形成。

知道生產準晶體需要極端條件，由意大利佛羅倫薩大學的地質學家盧卡·賓迪 （Luca Bindi） 領導的科學家團隊決定仔細研究三位一體巖。

但不是綠色的東西。雖然它們并不常見，但我們已經見過足夠多的準晶體，知道它們往往包含金屬，因此該團隊開始尋找一種更稀有的礦物形式——紅色三重石，因為它的色調是由其中摻入的汽化銅線引起的。

使用掃描電子顯微鏡和 X 射線衍射等技術，他們分析了六個紅色三重石的小樣品。最后，他們在其中一個樣品中被擊中——一個由硅、銅、鈣和鐵組成的微小的 20 面晶粒，具有傳統晶體中不可能的五倍旋轉對稱性——這是好戰的“意外后果”。

“這種準晶體的復雜性非常宏偉——但還沒有人能告訴我們它為什么會以這種方式形成。”華萊士說2021 年，當團隊的成績是發表.

“但總有一天，科學家或工程師會弄清楚這一點，天平將從我們的眼睛中移開，我們將對它的產生有一個熱力學解釋。然后，我希望我們可以利用這些知識來更好地了解核爆炸，并最終更全面地了解核試驗的含義。

這一發現代表了已知最古老的人為準晶體，它表明可能還有其他自然途徑可以形成準晶體。例如由雷擊鍛造的熔融沙子的 Fulgurites和來自流星撞擊地點的材料，都可能是野外準晶體的來源。

這項研究還可以幫助我們更好地了解非法核試驗，最終目的是遏制核武器的擴散。研究其他核試驗場鍛造的礦物可能會發現更多的準晶體，其熱力學特性可以成為核取證的工具。

“了解其他國家的核武器需要我們對他們的核試驗計劃有清晰的了解。”華萊士說.

“我們通常會分析放射性碎片和氣體，以了解這些武器是如何制造的或它們包含什么材料，但這些特征會衰減。在核爆炸現場形成的準晶體可能會告訴我們新類型的信息——它們將永遠存在。

該研究發表在美國國家科學院 （PNAS.

本文的早期版本發表于 2021 年 5 月。

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