准晶体与原子时代的诞生

编译 王晓涛

1945年7月16日，美国山地时间5时29分45秒，在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯市以南约330公里的阿拉莫戈多轰炸靶场，一个钚内爆装置被成功引爆，这一事件标志着原子时代的诞生。这次核爆被称作三位一体试验。美国在得知德国科学家正在研制原子弹之后，开始实施曼哈顿计划，秘密开发原子武器，三位一体试验就是曼哈顿计划的一部分。

曼哈顿计划的其中一项设计利用的是浓缩的放射性铀，非常简单，无须提前测试。另一种设计需要的材料是钚，它需要一种新的内爆方法，迅速地将足够多的钚压缩在一起，以超过引发失控核链式反应所需的临界质量。曼哈顿计划的科学家们认为，三位一体试验为他们提供了真实的第一手核爆炸数据，对于确定内爆方法是否可行至关重要。

爆炸释放出88太焦耳的能量，相当于两万一千吨TNT的能量，这足以使9米高的测试塔及周围的铜传输线瞬间蒸发，并形成一个约1.4米深、80米宽的爆炸坑。火球将沙漠中的沙子（主要组成物质为石英和长石）融合成硬壳状和液滴状物质，它们现在被称作玻璃石。大多数玻璃石是绿色的，但在沙子与测试塔及铜电缆中的金属融合的地方，形成的玻璃石呈现罕见的牛血色。

尽管试验人员对爆炸的可怕破坏力有充分的认识，但他们并没有注意到，核爆还产生了一种不寻常的物质形式：一种隐藏在红色玻璃石样本中的准晶体。

并不仅仅是图案上的简单重复

在1984年之前，没有人见过甚至哪怕是设想过准晶体的存在。科学家们认为，自己已经完全了解原子和分子结合形成物质的所有可能方式。两个世纪以来积累的相关知识被归纳总结为晶体学定律，这些定律对于理解和控制物质的物理特性至关重要，它们被广泛应用于制造钢铁、切割钻石或操控集成电路中的硅的电子特性等生产活动中。

根据这些定律，原子的排列要么是随机的，如玻璃；要么是规则结晶的，如糖或食盐。在晶体中，原子排列呈现周期性重复的图样，就像积木一样堆积形成具有离散旋转对称性的结构，类似于棋盘格或蜂窝。

形成规则镶嵌的现象需要一个关键因素，即它们只能包含某些形状并且只能具有某种对称性，这一点就连古埃及人也曾有所觉察。同样的规律也适用于物质的构成。因此，具有周期性排列图案的材料应当关于轴具有一、二、三、四或六重对称性。五重、七重、八重或更高的对称性是不被允许的。例如，二十面体的对称性就是如此，它包括六个独立的五重对称轴。

大约40年前，保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）和他当时的学生多夫·莱文（Dov Levine）第一次意识到，结构有序但并不具有周期性的准晶体是可能存在的。这一想法是受到牛津大学的罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）构想的一种奇怪的几何图案的启发而产生的。他创造了如图1a所示的一种形状，两种图案间没有间隙，以五重对称的自相似模式组合在一起，但并不具备周期性。

图1 结构有序但不具备周期性的准晶体可以具有不同的维度。a. 二维彭罗斯瓷砖，包括两种类型的图案，它们以一种晶体学中不被允许的五重对称的形式排列，呈现准周期形图样。b. 三维的二十面体准晶体，包含四种类型的多面体单元，这些多面体单元中的孔洞和突起限制了其他镶嵌方式，使得空间中填充的都是准晶体

几位理论物理学家也各自独立地推测，可能存在其他一些类似的固体，但它们的背后有什么意义尚不清楚。莱文和斯坦哈特通过研究表明，彭罗斯瓷砖中的五重对称是可能存在的，并且可以将这一概念推广到其他对称性以及三维立体模型，只需要用两个以上以无理数比率重复的准周期间距替换原子之间的周期性间距就可以做到这一点。理论物理学家们还展示了一种由多面体单元组成并具有二十面体对称性的三维准周期固体，如图1b所示。他们假设，某些原子组合也可能发生同样的情况，并将这样的物质称为准晶体。

概念的具体化

1984年，准晶体的概念开始出现。当时，以色列理工学院的丹·谢赫特曼（Dan Shechtman）和同事意外地发现了一种令人费解的具有二十面体对称性的铝锰合金。起初，关于这种物质的形成原因众说纷纭，因为合金由于结构缺陷和化学无序性，各种解释都存在可能——例如，它可能来自多晶体的共生，或是二十面体团簇玻璃。这个问题在1987年得到了解决，当时日本东北大学的蔡安邦（An-Pang Tsai）和同事发现了由铝、铜和铁构成的首个确定的准晶体。

从那时起，通过将不同元素按照精确比例熔化、混合并冷却的方式，科学家们在实验室里已经合成了100多种准晶体。实验也引发了新的争论：准晶体是如何形成的？它们的物质形式是像晶体这样真正稳定的吗？如果它们是稳定的，为什么我们不去大自然的某个角落寻找天然形成的准晶体呢？

这些问题促使我们在长达十年的时间里开展了对天然准晶体的探索。在俄罗斯远东地区的楚科奇，我们在一颗45亿年前的陨石中发现了准晶体，它和太阳系一样古老。多年的研究表明，这种准晶体是由于地外空间中的小行星碰撞导致的高压冲击形成的。为了证明这一假设，研究人员在实验室中向实验材料发射高速弹丸，产生的高压冲击确实改变了陨石的矿物组成形式。

我们进一步提出了问题：准晶体是否可能出现在核爆之类的冲击现象的残余物中？为了寻找准晶体，我们开始关注三位一体试验。宾迪阅读了马萨诸塞大学洛厄尔分校的尼尔森·艾比（Nelson Eby）及合作者的一篇文章，其中对红色玻璃石进行了描述。天然沙子和人造金属在高温高压下的融合似乎有可能产生准晶体。红色玻璃石样品中包含的微小颗粒的混合物具有各不相同的成分和结构，我们希望在这些10微米左右大小的碎片中找出可能的准晶体候选者，提取并搜索它们的X射线衍射图案以寻找符合准晶体的特征：具有二十面体对称性的图案。这是个不小的挑战。

经过多次失败的尝试，我们终于找到了漂亮的二十面体准晶体样品，如图2所示。与几十年前谢赫特曼和蔡安邦在实验室中得到的合金以及俄罗斯的陨石中的准晶体一样，它也具有相同的对称性。但是，这些来自核爆炸的样品含有硅、铜、钙和铁的成分，这是以前从未见过的，并且研究人员原本认为这些成分不可能形成准晶体。它也是已知最古老的人造准晶体，其精确的创造时间在人类历史上具有里程碑式的意义。

图2 由第一次核试验产生的玻璃石含有微量的准晶体材料。a. 从试验地点收集的玻璃石样品。b. 用背散射扫描电子显微镜对来自玻璃石样品的液滴状金属进行成像。这种准晶体Si61Cu30Ca7Fe2是由硅、铜、钙和铁组成的深色小碎片。c. 从液滴状金属中提取出的准晶体碎片沿其五重对称轴进行X射线成像。这种十重对称的图案是二十面体准晶体的特征之一

在第一次核爆炸形成的材料中发现了准晶体这一事实表明，极端条件（例如小行星碰撞、冲击波和核爆炸）可以产生全新的准晶体成分。这些发现告诉我们，准晶体可以是很坚固的物质，甚至可能是一种稳定的物质相。我们也发现了合成准晶体的新途径，这些新的准晶体可能具有源自其独特对称性的电学、声学及弹性特性。它们在未来或许可以造福于人类。

资料来源 Physics Today