揭開神秘的面紗：來自外太空的超稀有晶體材料

材料牛注：準晶體，一種異于普通晶體的稀有材料，物理學家已發現某些稀有材料受重震能產生準晶體。但是，天然準晶體卻是天外來物。普林斯頓大學的物理學家Paul Steinhardt偶然發現了一塊天然準晶體，可追溯到降落在俄羅斯科里亞克山脈的隕石。準晶體究竟有多神秘？且看下文分解。

準晶體是一種具有完全有序結構的特殊材料，但所謂的有序并不是指簡單的周期性重復排列。到目前為止，大部分都是在實驗室中制得的，只發現了一例純天然準晶體。現在，物理學家相信，他們已經弄清了準晶體的產生機制。

加州理工學院的Paul Asimow和他的合作伙伴今天在美國國家科學學院院刊發表的一篇論文，?介紹了如何使某些稀有材料受重震產生準晶體。?他們的研究結果表明，準晶體可能在巖石降落到地面形成隕石之前，在小行星帶碰撞期間形成。

那么是什么讓準晶體如此特殊？晶體通常由精確有序的原子排列而組成，其點陣（蜂窩狀）結構不斷重復進而形成周期性的圖案。但是，準晶體的點陣并不是完全重復排列，而是在相鄰晶胞內有微小的變化。然而，他們卻遵循確切的數學規則，類似于著名的Fibonacci序列，其中每一個數字是它之前的兩個數的和（1，1，2，3，5，8，13，21，等等）。

例如，你可以在華麗的西班牙阿罕布拉宮的馬賽克上看到這種排列方式。想想浴室地板，只用三角形、正方形或六邊形的瓷磚進行平鋪。如果不能有任何縫隙或重疊，那么這意味著一個五邊形的五點對稱是行不通的。如果有一種方法用其它形狀原子來填補縫隙，使所有原子緊密排列，這顯然也是可以的。

????????????????????????1982年4月，Daniel Schechtman筆記本的一頁（圖片：諾貝爾獎基金會）

1982年，準晶體首次由以色列物理學家Daniel Schechtman（隨后在以色列理工學院任教）發現，他在電子顯微鏡下觀察鋁—錳合金樣品時發現了一種奇怪的非周期性圖案。“Eyn chaya kao（“不可能有這樣的事物”）”他用希伯來語喃喃自語道。然而，事實就是如此。

可憐的Schechtman忍受了很多同行們的嘲笑，實驗室負責人諷刺地勸他重新閱讀他的晶體教科書，甚至一度要求他離開研究小組，但他笑到了最后。Schechtman的發現引發了一場晶體革命，并獲得了2011年諾貝爾化學獎。至今為止，在全球范圍內的實驗室里，已經制備出超過100種不同種類的準晶體。準晶體材料可用于制作不粘鍋，LED燈和手術器械等其他應用中。

2007年，普林斯頓大學的物理學家Paul Steinhardt在梳理博物館收藏的巖石時偶然發現了一塊準晶體，在此之前還沒有人發現天然準晶體。之后他以此為基礎，追溯到一塊降落在俄羅斯科里亞克山脈的隕石，甚至組織一支探險隊到那里尋找更多的準晶體樣品。他推斷天然準晶體來自于外太空。

Asimow對于這個驚人的發現提出了兩個關鍵性的問題。第一，如何才能在自然界中形成準晶體？第二，他們為什么如此罕見？他得到了第一個線索：Steinhardt在Khatyrka隕石晶粒中發現了一些奇怪的紋理（在鐵晶粒形成時），Asimow認為這些紋理與經過壓縮沖擊試驗的材料所形成的紋理非常相似。

沖擊壓縮試驗是，科學家把材料樣品放置在一個特殊鋼腔內并向它發射彈丸，使其承受難以置信的高壓。這是用來探索材料在極端環境下表現的試驗手段。

Steinhardt的假設似乎是合理的，因為科學家們已經證實Khatyrka隕石在墜落到地球之前經歷了某種震動，最有可能的是在太陽系初期的小行星帶中與另一個物體發生碰撞而產生的。所以Asimow選用銅—鋁合金試樣（成分類似于隕石中的某種物質）放入該室，并用鉭膠囊沖擊它來產生等效于20萬個大氣壓的環境。

瞧！現在他和同事們使用鐵含量超標的銅—鋁合金作為樣品，進行分析后便觀察到了準晶的獨特圖案。

“我們知道，隕石已經經歷過震蕩了，我們推測，震蕩可能是必要的的過程，當我們第一次嘗試時，它便起作用了。”?Asimow說道。“這告訴我們，如果有合適的原料及沖擊強度，產生天然準晶體也不是那么難。”

他的研究結果提供了一個基本的機制，盡管在沖擊壓縮過程中形成準晶的精確細節還沒有被探索出來。至于為什么準晶體在野外如此罕見，Asimow認為，其部分原因是銅—鋁合金太稀有。這在迄今為止研究的其它任何隕石中都不存在，這是具有完全不同化學行為的兩種金屬，通常不會共存。

但是，這并不意味著其他類似隕石不存在準晶體。直到20世紀70年代隕石都是相當罕見的，但是，現在數以千計的隕石無時不刻的被收集。搜尋隕石最好的地方是南極洲和撒哈拉沙漠，在那里，黑色的巖石很容易在白雪和沙子里找到。

Asimow如今對實驗進行微調，部分是為了確定其中鐵的來源。?他設置了兩個以上的對照實驗，以消除他第一個實驗中潛在的鐵源——最有可能的鉭膠囊。雖然他還沒有分析數據，但完全不希望其形成準晶體。隨后他對最初的實驗進行改進，進一步探究在精確條件下準晶體如何自發形成。

現在，他很高興他的第一次嘗試便解答了最初的問題。“這解釋了天然準晶體形成的機制，以及為什么我們尚未發現其他機制。”Asimow說。“因為我們有獨特的原料和環境。現在最大的謎團就是為什么銅鋁合金會大量存在于這種隕石當中。”這值得我們進一步的探索。

原文鏈接These Mysterious Ultra-Rare Crystals Probably Formed in Outer Space

本文由編輯部糯米提供素材，李全翻譯，牛蕾審核。