世界上第一次核爆炸創(chuàng)造了一種罕見的物質(zhì)

80 年前的今天，1945 年 7 月 16 日凌晨 5 點 29 分，在新墨西哥州，一段可怕的歷史被創(chuàng)造下來。

當(dāng)美國陸軍引爆一種被稱為 Gadget 的钚內(nèi)爆裝置時，黎明的平靜被打破——這是世界上第一次核彈試驗，被稱為 Trinity 試驗。這一刻將永遠(yuǎn)改變戰(zhàn)爭。

釋放的能量相當(dāng)于 21 千噸 TNT，蒸發(fā)了 30 米（98 英尺）的測試塔和將其連接到記錄設(shè)備的數(shù)英里長的銅線。由此產(chǎn)生的火球?qū)⑺呛豌~與下面的瀝青和沙漠沙子融合成綠色玻璃——一種稱為三長石的新礦物。

幾十年后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了隱藏在一塊三位一體石中的秘密——一種被稱為準(zhǔn)晶體，曾經(jīng)被認(rèn)為是不可能的。

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“準(zhǔn)晶體是在地球上罕見的極端環(huán)境中形成的，”解釋洛斯阿拉莫斯國家實驗室的地球物理學(xué)家特里·華萊士 （Terry Wallace） 于 2021 年。

“他們需要具有極端沖擊、溫度和壓力的創(chuàng)傷事件。我們通常不會看到這種情況，除非在像核爆炸這樣戲劇性的事情中。

大多數(shù)晶體，從不起眼的食鹽到最堅韌的鉆石，都遵循相同的規(guī)則：它們的原子排列成晶格結(jié)構(gòu)，在三維空間中重復(fù)。準(zhǔn)晶體打破了這個規(guī)則——它們的原子排列模式不重復(fù)。

當(dāng)這個概念于 1984 年首次出現(xiàn)在科學(xué)界時，人們認(rèn)為這是不可能的：晶體要么是有序的，要么是無序的，沒有中間地帶。然后他們真的被找到了，兩者都在實驗室環(huán)境中創(chuàng)建在野外——隕石深處，由超高速撞擊等事件的熱力學(xué)沖擊形成。

知道生產(chǎn)準(zhǔn)晶體需要極端條件，由意大利佛羅倫薩大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家盧卡·賓迪 （Luca Bindi） 領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊決定仔細(xì)研究三位一體巖。

但不是綠色的東西。雖然它們并不常見，但我們已經(jīng)見過足夠多的準(zhǔn)晶體，知道它們往往包含金屬，因此該團(tuán)隊開始尋找一種更稀有的礦物形式——紅色三重石，因為它的色調(diào)是由其中摻入的汽化銅線引起的。

使用掃描電子顯微鏡和 X 射線衍射等技術(shù)，他們分析了六個紅色三重石的小樣品。最后，他們在其中一個樣品中被擊中——一個由硅、銅、鈣和鐵組成的微小的 20 面晶粒，具有傳統(tǒng)晶體中不可能的五倍旋轉(zhuǎn)對稱性——這是好戰(zhàn)的“意外后果”。

“這種準(zhǔn)晶體的復(fù)雜性非常宏偉——但還沒有人能告訴我們它為什么會以這種方式形成?！?a>華萊士說2021 年，當(dāng)團(tuán)隊的成績是發(fā)表.

“但總有一天，科學(xué)家或工程師會弄清楚這一點，天平將從我們的眼睛中移開，我們將對它的產(chǎn)生有一個熱力學(xué)解釋。然后，我希望我們可以利用這些知識來更好地了解核爆炸，并最終更全面地了解核試驗的含義。

這一發(fā)現(xiàn)代表了已知最古老的人為準(zhǔn)晶體，它表明可能還有其他自然途徑可以形成準(zhǔn)晶體。例如由雷擊鍛造的熔融沙子的 Fulgurites和來自流星撞擊地點的材料，都可能是野外準(zhǔn)晶體的來源。

這項研究還可以幫助我們更好地了解非法核試驗，最終目的是遏制核武器的擴(kuò)散。研究其他核試驗場鍛造的礦物可能會發(fā)現(xiàn)更多的準(zhǔn)晶體，其熱力學(xué)特性可以成為核取證的工具。

“了解其他國家的核武器需要我們對他們的核試驗計劃有清晰的了解。”華萊士說.

“我們通常會分析放射性碎片和氣體，以了解這些武器是如何制造的或它們包含什么材料，但這些特征會衰減。在核爆炸現(xiàn)場形成的準(zhǔn)晶體可能會告訴我們新類型的信息——它們將永遠(yuǎn)存在。

該研究發(fā)表在美國國家科學(xué)院 （PNAS.

本文的早期版本發(fā)表于 2021 年 5 月。

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