“不可能”的水晶在世界上第一次核弹试验中锻造

1945 年 7 月 16 日凌晨 5 点 29 分，在新墨西哥州，一段可怕的历史发生了。

黎明的平静被撕裂了，因为美国陆军引爆了一个被称为“小工具”的钚内爆装置——这是世界上第一次核弹试验，被称为三位一体试验。这一刻将永远改变战争。

能量释放相当于 21 千吨 TNT，蒸发了 30 米高的测试塔（98 英尺）和数英里长的铜线将其连接到记录设备。由此产生的火球将塔和铜与下面的沥青和沙漠沙子融合成绿色玻璃——一种称为三硝酸盐的新矿物。

几十年后，科学家们发现了隐藏在三位一体的一块中的秘密——一种罕见的物质形式，被称为准晶体，一度被认为是不可能的。

“准晶体是在地球上很少存在的极端环境中形成的，”洛斯阿拉莫斯国家实验室的地球物理学家特里·华莱士（Terry Wallace）在2021年解释说.

“他们需要具有极端冲击、温度和压力的创伤性事件。我们通常不会看到这种情况，除非在像核爆炸这样戏剧性的事情上。

大多数晶体，从不起眼的食盐到最坚硬的钻石，都遵循相同的规则：它们的原子排列成在三维空间中重复的晶格结构。准晶体打破了这一规则——它们的原子排列模式不会重复。

当这个概念于1984年首次出现在科学界时，人们认为这是不可能的：晶体要么是有序的，要么是无序的，中间没有中间的。然后他们实际上被发现了，两个在实验室环境中创建在野外——陨石深处，由超高速撞击等事件产生的热力学冲击锻造而成。

知道生产准晶体需要极端条件，由意大利佛罗伦萨大学的地质学家卢卡·宾迪（Luca Bindi）领导的一组科学家决定仔细研究三硝酸盐。

但不是绿色的东西。虽然它们并不常见，但我们已经看到了足够多的准晶体，知道它们倾向于掺入金属，因此研究小组开始寻找一种更稀有的矿物形式——红色三硝酸盐，因为它的色调是由其中掺入的汽化铜线引起的。

使用扫描电子显微镜和X射线衍射等技术，他们分析了六个红色三硝酸盐的小样品。最后，他们在其中一个样品中受到了打击——一个由硅、铜、钙和铁组成的微小的 20 面晶粒，具有传统晶体中不可能的五倍旋转对称性——这是战争贩子的“意外后果”。

“这种准晶体的复杂性非常壮观，但没有人能告诉我们它为什么会以这种方式形成，”华莱士解释道2021年，该团队的研究发表。

“但总有一天，科学家或工程师会弄清楚这一点，天平将从我们的眼睛中移开，我们将对它的产生有一个热力学解释。然后，我希望，我们可以利用这些知识来更好地了解核爆炸，并最终更全面地了解核试验所代表的含义。

这一发现代表了已知最古老的人为准晶体，它表明可能还有其他自然途径可以形成准晶体。例如雷击锻造的熔砂的熔石，以及来自陨石撞击地点的物质，都可能是野外准晶体的来源。

研究人员说，这项研究还可以帮助我们更好地了解非法核试验，最终目的是遏制核军备的扩散。研究在其他核试验场锻造的矿物可以发现更多的准晶体，其热力学特性可以成为核取证的工具。

“了解其他国家的核武器需要我们清楚地了解他们的核试验计划，”华莱士说.

“我们通常会分析放射性碎片和气体，以了解武器是如何制造的或它们含有什么材料，但这些特征会衰减。在核爆炸现场形成的准晶体可能会告诉我们新型信息，而且它们将永远存在。

该研究已发表在PNAS国际科学院院刊.

本文的早期版本发布于 2021 年 5 月。

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