二戰期間人類第一次核爆試驗現場,意外發現形成超罕見準晶體

作者 | 發布日期 2021 年 05 月 18 日 13:59 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


76 年前,人類展開了史上第一次核試驗,除了象徵核子時代來臨外,現場還產生一種稱為托立尼提物質的綠色玻璃狀再結晶物質;現在科學家發現,該實驗事實上還形成另一種罕見到極致的「準晶體」。

1945 年 7 月 16 日,做為第二次世界大戰期間曼哈頓計畫的一環,美國在新墨西哥州的托立尼提沙漠中進行了人類史上第一場核彈引爆試驗,代號「三位一體(Trinity)」,爆炸威力約 20,000 噸 TNT,爆炸產生溫度達 7,000萬 K。據描述,爆炸當下四週山脈有 1~2 秒時間被照得比白天還要亮,爆炸產生的衝擊波只花了 40 秒就到達 160 公里外的觀測者身邊,且爆炸形生的蘑菇雲高達 12.1 公里(幾乎衝出對流層頂)。

之後,這場爆炸在沙漠中堆出了一個寬 340 公尺、高 3 公尺的小山丘,原因是沙子被吸入爆炸的火球中後,內部矽酸鹽晶體被高溫融化、再凝固形成玻璃狀再結晶物質並降回地表堆積,被稱為「托立尼提物質」(Trinitite),這些物質通常色呈淡綠色,但也有少數呈現紅色。

現在,由義大利佛羅倫斯大學地質學家 Luca Bindi 與美國普林斯頓大學理論物理學家 Paul Steinhardt 領導的團隊,進一步從紅色托立尼提物質中發現了由鐵、矽、銅、鈣組成未知結構的新二十面體準晶體 Si61Cu30Ca7Fe2,很可能是由汽化的沙與銅電纜融合而成。

準晶體在科學上是另一道難題。一般來說,物質不是像糖或食鹽那種原子有序排列的晶體,就是像玻璃那種原子排列完全隨機分布的無定形體,但準晶體是一種介於晶體與非晶體之間的固體,具有與晶體相似的有序原子排列,但不具備晶體的平移對稱性,普通晶體僅能具有二次、三次、四次或六次旋轉對稱性,嚴格限制不具有五次或更高的對稱性,但準晶體卻可以。

一直到以色列材料學家丹·舍特曼於 1982 年發現前,科學家原本不相信準晶體的存在。

隨後幾年,材料科學家陸續又合成了幾種類型的準晶體,還有科學家在堪察加半島的隕石碎片中發現了第一個自然存在的二十面體準晶體,分析表明很可能形成於早期太陽系中兩個小行星碰撞。

而人類史上第一場核爆試驗,也在不知不覺中合成了準晶體。這說明陸上環境也能夠製造此類物質,且還可以維持 70 多年。研究人員認為,或許雷電撞擊岩石、沙子等劇烈條件也能形成準晶體。

新論文發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)。

(首圖來源:pixabay