“不可能”的水晶在世界上第一次核彈試驗中鍛造

1945 年 7 月 16 日凌晨 5 點 29 分，在新墨西哥州，一段可怕的歷史發生了。

黎明的平靜被撕裂了，因為美國陸軍引爆了一個被稱為“小工具”的钚內爆裝置——這是世界上第一次核彈試驗，被稱為三位一體試驗。這一刻將永遠改變戰爭。

能量釋放相當于 21 千噸 TNT，蒸發了 30 米高的測試塔（98 英尺）和數英里長的銅線將其連接到記錄設備。由此產生的火球將塔和銅與下面的瀝青和沙漠沙子融合成綠色玻璃——一種稱為三硝酸鹽的新礦物。

幾十年后，科學家們發現了隱藏在三位一體的一塊中的秘密——一種罕見的物質形式，被稱為準晶體，一度被認為是不可能的。

“準晶體是在地球上很少存在的極端環境中形成的，”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）在2021年解釋說.

“他們需要具有極端沖擊、溫度和壓力的創傷性事件。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上。

大多數晶體，從不起眼的食鹽到最堅硬的鉆石，都遵循相同的規則：它們的原子排列成在三維空間中重復的晶格結構。準晶體打破了這一規則——它們的原子排列模式不會重復。

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，中間沒有中間的。然后他們實際上被發現了，兩個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產生的熱力學沖擊鍛造而成。

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）領導的一組科學家決定仔細研究三硝酸鹽。

但不是綠色的東西。雖然它們并不常見，但我們已經看到了足夠多的準晶體，知道它們傾向于摻入金屬，因此研究小組開始尋找一種更稀有的礦物形式——紅色三硝酸鹽，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硝酸鹽的小樣品。最后，他們在其中一個樣品中受到了打擊——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——這是戰爭販子的“意外后果”。

“這種準晶體的復雜性非常壯觀，但沒有人能告訴我們它為什么會以這種方式形成，”華萊士解釋道2021年，該團隊的研究發表。

“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所代表的含義。

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。例如雷擊鍛造的熔砂的熔石，以及來自隕石撞擊地點的物質，都可能是野外準晶體的來源。

研究人員說，這項研究還可以幫助我們更好地了解非法核試驗，最終目的是遏制核軍備的擴散。研究在其他核試驗場鍛造的礦物可以發現更多的準晶體，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清楚地了解他們的核試驗計劃，”華萊士說.

“我們通常會分析放射性碎片和氣體，以了解武器是如何制造的或它們含有什么材料，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型信息，而且它們將永遠存在。

該研究已發表在PNAS國際科學院院刊.

本文的早期版本發布于 2021 年 5 月。

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