準(zhǔn)晶體與原子時代的誕生

編譯 王曉濤

1945年7月16日，美國山地時間5時29分45秒，在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯市以南約330公里的阿拉莫戈多轟炸靶場，一個钚內(nèi)爆裝置被成功引爆，這一事件標(biāo)志著原子時代的誕生。這次核爆被稱作三位一體試驗。美國在得知德國科學(xué)家正在研制原子彈之后，開始實施曼哈頓計劃，秘密開發(fā)原子武器，三位一體試驗就是曼哈頓計劃的一部分。

曼哈頓計劃的其中一項設(shè)計利用的是濃縮的放射性鈾，非常簡單，無須提前測試。另一種設(shè)計需要的材料是钚，它需要一種新的內(nèi)爆方法，迅速地將足夠多的钚壓縮在一起，以超過引發(fā)失控核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所需的臨界質(zhì)量。曼哈頓計劃的科學(xué)家們認(rèn)為，三位一體試驗為他們提供了真實的第一手核爆炸數(shù)據(jù)，對于確定內(nèi)爆方法是否可行至關(guān)重要。

爆炸釋放出88太焦耳的能量，相當(dāng)于兩萬一千噸TNT的能量，這足以使9米高的測試塔及周圍的銅傳輸線瞬間蒸發(fā)，并形成一個約1.4米深、80米寬的爆炸坑。火球?qū)⑸衬械纳匙樱ㄖ饕M成物質(zhì)為石英和長石）融合成硬殼狀和液滴狀物質(zhì)，它們現(xiàn)在被稱作玻璃石。大多數(shù)玻璃石是綠色的，但在沙子與測試塔及銅電纜中的金屬融合的地方，形成的玻璃石呈現(xiàn)罕見的牛血色。

盡管試驗人員對爆炸的可怕破壞力有充分的認(rèn)識，但他們并沒有注意到，核爆還產(chǎn)生了一種不尋常的物質(zhì)形式：一種隱藏在紅色玻璃石樣本中的準(zhǔn)晶體。

并不僅僅是圖案上的簡單重復(fù)

在1984年之前，沒有人見過甚至哪怕是設(shè)想過準(zhǔn)晶體的存在。科學(xué)家們認(rèn)為，自己已經(jīng)完全了解原子和分子結(jié)合形成物質(zhì)的所有可能方式。兩個世紀(jì)以來積累的相關(guān)知識被歸納總結(jié)為晶體學(xué)定律，這些定律對于理解和控制物質(zhì)的物理特性至關(guān)重要，它們被廣泛應(yīng)用于制造鋼鐵、切割鉆石或操控集成電路中的硅的電子特性等生產(chǎn)活動中。

根據(jù)這些定律，原子的排列要么是隨機的，如玻璃；要么是規(guī)則結(jié)晶的，如糖或食鹽。在晶體中，原子排列呈現(xiàn)周期性重復(fù)的圖樣，就像積木一樣堆積形成具有離散旋轉(zhuǎn)對稱性的結(jié)構(gòu)，類似于棋盤格或蜂窩。

形成規(guī)則鑲嵌的現(xiàn)象需要一個關(guān)鍵因素，即它們只能包含某些形狀并且只能具有某種對稱性，這一點就連古埃及人也曾有所覺察。同樣的規(guī)律也適用于物質(zhì)的構(gòu)成。因此，具有周期性排列圖案的材料應(yīng)當(dāng)關(guān)于軸具有一、二、三、四或六重對稱性。五重、七重、八重或更高的對稱性是不被允許的。例如，二十面體的對稱性就是如此，它包括六個獨立的五重對稱軸。

大約40年前，保羅·斯坦哈特（Paul Steinhardt）和他當(dāng)時的學(xué)生多夫·萊文（Dov Levine）第一次意識到，結(jié)構(gòu)有序但并不具有周期性的準(zhǔn)晶體是可能存在的。這一想法是受到牛津大學(xué)的羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）構(gòu)想的一種奇怪的幾何圖案的啟發(fā)而產(chǎn)生的。他創(chuàng)造了如圖1a所示的一種形狀，兩種圖案間沒有間隙，以五重對稱的自相似模式組合在一起，但并不具備周期性。

圖1 結(jié)構(gòu)有序但不具備周期性的準(zhǔn)晶體可以具有不同的維度。a. 二維彭羅斯瓷磚，包括兩種類型的圖案，它們以一種晶體學(xué)中不被允許的五重對稱的形式排列，呈現(xiàn)準(zhǔn)周期形圖樣。b. 三維的二十面體準(zhǔn)晶體，包含四種類型的多面體單元，這些多面體單元中的孔洞和突起限制了其他鑲嵌方式，使得空間中填充的都是準(zhǔn)晶體

幾位理論物理學(xué)家也各自獨立地推測，可能存在其他一些類似的固體，但它們的背后有什么意義尚不清楚。萊文和斯坦哈特通過研究表明，彭羅斯瓷磚中的五重對稱是可能存在的，并且可以將這一概念推廣到其他對稱性以及三維立體模型，只需要用兩個以上以無理數(shù)比率重復(fù)的準(zhǔn)周期間距替換原子之間的周期性間距就可以做到這一點。理論物理學(xué)家們還展示了一種由多面體單元組成并具有二十面體對稱性的三維準(zhǔn)周期固體，如圖1b所示。他們假設(shè)，某些原子組合也可能發(fā)生同樣的情況，并將這樣的物質(zhì)稱為準(zhǔn)晶體。

概念的具體化

1984年，準(zhǔn)晶體的概念開始出現(xiàn)。當(dāng)時，以色列理工學(xué)院的丹·謝赫特曼（Dan Shechtman）和同事意外地發(fā)現(xiàn)了一種令人費解的具有二十面體對稱性的鋁錳合金。起初，關(guān)于這種物質(zhì)的形成原因眾說紛紜，因為合金由于結(jié)構(gòu)缺陷和化學(xué)無序性，各種解釋都存在可能——例如，它可能來自多晶體的共生，或是二十面體團(tuán)簇玻璃。這個問題在1987年得到了解決，當(dāng)時日本東北大學(xué)的蔡安邦（An-Pang Tsai）和同事發(fā)現(xiàn)了由鋁、銅和鐵構(gòu)成的首個確定的準(zhǔn)晶體。

從那時起，通過將不同元素按照精確比例熔化、混合并冷卻的方式，科學(xué)家們在實驗室里已經(jīng)合成了100多種準(zhǔn)晶體。實驗也引發(fā)了新的爭論：準(zhǔn)晶體是如何形成的？它們的物質(zhì)形式是像晶體這樣真正穩(wěn)定的嗎？如果它們是穩(wěn)定的，為什么我們不去大自然的某個角落尋找天然形成的準(zhǔn)晶體呢？

這些問題促使我們在長達(dá)十年的時間里開展了對天然準(zhǔn)晶體的探索。在俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)的楚科奇，我們在一顆45億年前的隕石中發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶體，它和太陽系一樣古老。多年的研究表明，這種準(zhǔn)晶體是由于地外空間中的小行星碰撞導(dǎo)致的高壓沖擊形成的。為了證明這一假設(shè)，研究人員在實驗室中向?qū)嶒灢牧习l(fā)射高速彈丸，產(chǎn)生的高壓沖擊確實改變了隕石的礦物組成形式。

我們進(jìn)一步提出了問題：準(zhǔn)晶體是否可能出現(xiàn)在核爆之類的沖擊現(xiàn)象的殘余物中？為了尋找準(zhǔn)晶體，我們開始關(guān)注三位一體試驗。賓迪閱讀了馬薩諸塞大學(xué)洛厄爾分校的尼爾森·艾比（Nelson Eby）及合作者的一篇文章，其中對紅色玻璃石進(jìn)行了描述。天然沙子和人造金屬在高溫高壓下的融合似乎有可能產(chǎn)生準(zhǔn)晶體。紅色玻璃石樣品中包含的微小顆粒的混合物具有各不相同的成分和結(jié)構(gòu)，我們希望在這些10微米左右大小的碎片中找出可能的準(zhǔn)晶體候選者，提取并搜索它們的X射線衍射圖案以尋找符合準(zhǔn)晶體的特征：具有二十面體對稱性的圖案。這是個不小的挑戰(zhàn)。

經(jīng)過多次失敗的嘗試，我們終于找到了漂亮的二十面體準(zhǔn)晶體樣品，如圖2所示。與幾十年前謝赫特曼和蔡安邦在實驗室中得到的合金以及俄羅斯的隕石中的準(zhǔn)晶體一樣，它也具有相同的對稱性。但是，這些來自核爆炸的樣品含有硅、銅、鈣和鐵的成分，這是以前從未見過的，并且研究人員原本認(rèn)為這些成分不可能形成準(zhǔn)晶體。它也是已知最古老的人造準(zhǔn)晶體，其精確的創(chuàng)造時間在人類歷史上具有里程碑式的意義。

圖2 由第一次核試驗產(chǎn)生的玻璃石含有微量的準(zhǔn)晶體材料。a. 從試驗地點收集的玻璃石樣品。b. 用背散射掃描電子顯微鏡對來自玻璃石樣品的液滴狀金屬進(jìn)行成像。這種準(zhǔn)晶體Si61Cu30Ca7Fe2是由硅、銅、鈣和鐵組成的深色小碎片。c. 從液滴狀金屬中提取出的準(zhǔn)晶體碎片沿其五重對稱軸進(jìn)行X射線成像。這種十重對稱的圖案是二十面體準(zhǔn)晶體的特征之一

在第一次核爆炸形成的材料中發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶體這一事實表明，極端條件（例如小行星碰撞、沖擊波和核爆炸）可以產(chǎn)生全新的準(zhǔn)晶體成分。這些發(fā)現(xiàn)告訴我們，準(zhǔn)晶體可以是很堅固的物質(zhì)，甚至可能是一種穩(wěn)定的物質(zhì)相。我們也發(fā)現(xiàn)了合成準(zhǔn)晶體的新途徑，這些新的準(zhǔn)晶體可能具有源自其獨特對稱性的電學(xué)、聲學(xué)及彈性特性。它們在未來或許可以造福于人類。

資料來源 Physics Today