理论物理学家保罗·斯坦哈特没有想到去年夏天他会穿越松软的苔原，前往俄罗斯东北部偏远的淘金区。但他却在那里花了三周时间，追溯了世界上唯一已知的天然准晶体的起源——这是一种奇特的结构，由以色列理工学院的材料科学家丹·谢赫特曼于1982年在合成材料中发现，并因此获得了2011年诺贝尔化学奖。
“我只是抓住问题不放，任它把我拖到任何地方——即使是穿过苔原，”新泽西州普林斯顿大学的斯坦哈特说。这个故事包括秘密日记、走私以及一个发现，即自然的准晶体似乎来自一块约45亿年前的陨石：准晶体远非人造创新，可能是太阳系诞生时形成的最古老矿物之一。这项发现本周发表在《美国国家科学院院刊》上。
当谢赫特曼首次报告准晶体的原子结构时，它震惊了研究人员。与任何普通晶体中规则重复的晶格不同，原子排列成一种有序但永不完全重复的模式，就像一个复杂的三维马赛克。大约在发表时，当时在费城宾夕法尼亚大学的斯坦哈特，碰巧正与数学家多夫·莱文一起研究这种非重复模式背后的理论。他后来创造了“准晶体”一词。
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目前，通过熔化和冷却金属，已经在实验室受控条件下创建了数百种合成准晶体。斯坦哈特开始寻找自然界中的准晶体，浏览从其他材料记录的X射线衍射图数据库，以找到可能的候选者。直到2008年秋天，他才收到意大利佛罗伦萨自然历史博物馆的矿物学家卢卡·宾迪的联系，后者在博物馆收藏的一块毫米大小的岩石碎片中发现了一颗约100微米大小的准晶体颗粒。2009年，斯坦哈特、宾迪及其同事在《科学》杂志上报道称，该颗粒是一种铝、铜和铁的准晶合金。根据储存它的盒子上的标签，这块岩石来自俄罗斯的科里亚克山脉。
外星起源
在最新的研究中，宾迪与斯坦哈特和其他美国科学家一起分析了这块岩石。该团队报告说，准晶体颗粒周围的硅酸盐和氧化物矿物中氧同位素的比例是典型的碳质球粒陨石中的矿物。这表明这块岩石具有外星起源并且非常古老：几乎所有的球粒陨石都是在太阳系诞生时形成的。陨石内的准晶体颗粒很可能，但不确定，具有大致相同的年龄。它被发现与一种仅在高压和高温下形成的二氧化硅矿物缠绕在一起——例如，与球粒陨石体碰撞可能产生的条件。
我们今天在地球上所知的巨大矿物阵列，直到板块构造和大气中的氧气产生了新的物理和化学环境（参见“微生物驱动了地球的矿物演化”），才开始形成。只有大约一百种矿物具有在此之前形成的殊荣，当时物质开始碰撞和结合形成太阳系。因此，如果天然准晶体确实是在天体物理条件下形成的——通过研究人员仍然不了解的机制——那么它可以被添加到最早矿物的精选类别中。
这块陨石在地球上的历史也很奇特。正如斯坦哈特所讲，佛罗伦萨博物馆于1990年从阿姆斯特丹一位现已去世的私人收藏家那里购买了它，作为10,000件样品的批量交易的一部分。宾迪找到了这位收藏家的遗孀，她同意让科学家们查看秘密日记，其中包含有关在罗马尼亚进行“交换”或走私行动的细节。经过进一步的调查工作，包括与一位曾帮助将岩石走私出境的俄罗斯前特工交谈后，科学家们找到了 V. V. Kryachko，他于1979年首次在俄罗斯偏远的楚科奇地区（与阿拉斯加隔着白令海峡）的粘性粘土中挖出了这块岩石。斯坦哈特和他的同事们去年夏天跋涉到楚科奇考察了该遗址是否有准晶体的迹象，但尚未公布他们的发现。
到目前为止，斯坦哈特说，寻找天然准晶体是极具回报的。“我学到了很多关于材料科学、地球，甚至是俄罗斯历史的知识。这是一个不可抗拒的问题，它带来了有趣而引人入胜的科学和非科学。” 他希望地质学家和矿物学家会继续寻找不寻常的衍射模式——甚至在非金属中。“我还没有停止寻找其他天然准晶体，”他说。