科学家们一直在寻找准晶体——所谓的“不可能”的材料，具有不寻常的、非重复的结构——并在世界首次核弹试验的残余物中发现了一种。
这种以前未知的结构由铁、硅、铜和钙组成，可能是由汽化的沙漠沙子和铜缆融合而成。类似的材料已在实验室中合成并在陨石中发现，但这种材料于 5 月 17 日在《美国国家科学院院刊》上发表，是首个具有这种元素组合的准晶体实例。
不可能的对称性
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准晶体包含原子构建块，这些原子构建块——与普通晶体中的原子构建块不同——不会以规则的、类似砖砌的模式重复。普通晶体结构在沿某些方向平移后看起来是相同的，而准晶体具有曾经被认为是不可能的对称性：例如，一些准晶体具有五重对称性，因此如果旋转完整扭曲的五分之一，看起来是相同的。
材料科学家丹尼尔·谢赫特曼（Daniel Shechtman），现任以色列理工学院（Technion Israel Institute of Technology）教授，于 1982 年首次在合成合金中发现了这种不可能的对称性。当在各种可能的方向上旋转时，它具有五重对称性，如果其构建块是二十面体（即具有 20 个面的规则形状），则会发生这种情况。许多研究人员最初质疑谢赫特曼的发现，因为在数学上不可能仅使用二十面体来填充空间。 谢赫特曼最终因这项发现获得了 2011 年诺贝尔化学奖。
大约在同一时间，现任新泽西州普林斯顿大学的理论物理学家保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）及其合作者开始推测可能存在非重复的 3D 结构。这些结构与二十面体具有相同的对称性，但由几种不同类型的构建块组装而成，这些构建块永远不会以相同的模式重复——从而解释了为什么对称晶体的数学模型会忽略它们。现任英国牛津大学的数学物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）和其他研究人员此前曾在二维空间中发现了类似的模式，称为彭罗斯铺砖。
斯坦哈特回忆起 1982 年他第一次看到谢赫特曼发现的实验数据并将其与他的理论预测进行比较的那一刻。“我从办公桌前站起来，走到我们的图案前看了看，你根本看不出有什么不同，”他说。“所以那真是一个令人惊叹的时刻。”
在随后的几年里，材料科学家合成了几种类型的准晶体，扩大了可能的禁对称性的范围。斯坦哈特和他的同事后来在西伯利亚东部堪察加半岛回收的陨石碎片中发现了第一种天然存在的“二十面陨石”。 发现第一种天然存在的“二十面陨石” 斯坦哈特说，这种准晶体可能是在早期太阳系中两个小行星碰撞中形成的。一些实验室制造的准晶体也是通过高速撞击材料而产生的，因此斯坦哈特和他的团队想知道核爆炸的冲击波是否也可能形成准晶体。
“切片和切块”
在“三位一体”试验（有史以来第一次核弹爆炸，于 1945 年 7 月 16 日在新墨西哥州阿拉莫戈多轰炸靶场进行）之后，研究人员发现了一大片绿色的玻璃状物质，这种物质是由沙漠沙子的液化形成的。他们将这种物质称为三位inite。
钚弹是在一座 30 米高的塔顶上引爆的，塔上装满了传感器及其电缆。斯坦哈特说，结果，形成的一些三位inite含有红色夹杂物。“它是天然材料与来自传输线的铜的融合。” 准晶体通常由通常不会结合的元素形成，因此斯坦哈特和他的同事认为红色三位inite的样本将是寻找准晶体的好地方。
斯坦哈特说：“在十个月的时间里，我们一直在切片和切块，观察各种矿物。“最后，我们发现了一颗微小的晶粒。” 这种准晶体与谢赫特曼最初发现的准晶体具有相同的二十面体对称性。
犹他大学（盐湖城）的理论化学家瓦莱里娅·莫利内罗（Valeria Molinero）说：“硅在其结构中的主导地位非常明显。” 她说，“然而，在实验室中合成了许多准晶体之后，我发现真正有趣的是它们在自然界中如此稀少。” 斯坦哈特说，这可能是因为准晶体的形成涉及“不寻常的元素组合和不寻常的排列”。
普林斯顿大学的地球科学家林肯·霍利斯特（Lincoln Hollister）说，像大多数已知的准晶体一样，三位inite结构似乎是一种合金——一种金属状材料，由电子海中的正离子组成。这对于硅来说是不寻常的，硅通常以氧化形式存在于岩石中：逆转氧化需要极端条件，例如冲击波的强烈高温和高压。
斯坦哈特认为，准晶体可以用于一种核法证科学，因为它们可能揭示秘密核试验发生的地点。准晶体也可能在其他在剧烈条件下产生的材料中形成，例如雷击石，即闪电击中岩石、沙子或其他沉积物时形成的材料。“准晶体的传奇将继续！”霍利斯特说。
本文经许可转载，首次发表于 2021 年 5 月 17 日。