为什么准晶体不应该存在却出现在奇怪的地方

[1945年秋天，林肯·拉巴斯(LincolnLaPaz)蹲在新墨西哥州穆埃尔托沙漠(JornadadelMuertoDesert)的一片烧焦的土地上。天文学家拉巴斯外出寻找陨石。他在灰尘中发现了一些东西：一层奇怪的、闪闪发光的血红色玻璃外壳。这不是陨石，但它的震撼力足以让他抓住它。

直到几十年后，人们才意识到拉巴斯的偶然发现有多么特别。因为，其中一个碎片中嵌入了一种特别不寻常的材料——准晶体。

长期以来，准晶体被认为完全是理论上的，因为它们被认为是不可能的原子几何结构。直到 1982 年，它们才被证明存在——即便如此，它们也只能在严格控制的实验室条件下被发现。但拉巴斯现在得到认可的发现是越来越多的发现之一，证明这些材料可以在实验室外形成，而且它们比任何人怀疑的都要常见。它们甚至可能成为了解地球和整个太阳系动荡历史的新窗口。

“寻找天然准晶体的人并不多，”物理学家保罗·斯坦哈特说在普林斯顿大学。“我们可能每天都走过它们，却浑然不觉。”

晶体对称规则

我们曾经认为准晶体是不可能的。所有熟悉的晶体——从食盐到钻石——都是由图案、原子排列组成，在三维空间中以完美重复的图案平铺。到了 19 世纪，数学家相信他们已经对重复模式的每一种可能的几何形状进行了编目。最终统计：230 个晶体结构，每个结构都是通过移动、旋转或反射单个原子模板形成的。

值得注意的是，该列表中没有具有“禁止对称性”的晶体，例如五边形和海星的五重旋转对称性。

人们认为五重对称以及七重、八重和更高的旋转对称性都是不可能的。具有这些对称性的图案无法在没有重叠或留下间隙的情况下组合成晶体。

“所有的 [orderly] 斯坦哈特说：“直到 20 世纪 80 年代，人类发现的材料——无论是在实验室、自然界还是太空中——都被限制在这个受限清单中。”他和他当时的学生多夫·莱文 (Dov Levine) 1983 年，他们第一个提出了准晶体存在的理论，准晶体是一种原子模式永远不会精确重复的固体。“它们是空间中的一种不和谐，”斯坦哈特说。这为禁止几何学（例如五重对称）提供了数学空间。

仅仅一年后，材料科学家 Daniel Schechtman 位于海法的以色列理工学院发表了一项关于奇怪的实验室制造合金的研究 具有五重对称性，证明了斯坦哈特和莱文​​的正确性。

突然之间，准晶体不再仅仅是数学思考。它们是真实的材料。但许多科学家坚称，如果没有赋予真正晶体稳定性的重复原子支架，它们就无法长期生存。即使谢赫特曼最终赢得了 2011 年诺贝尔化学奖，许多人仍然认为准晶体是像差——不稳定的、非自然的材料，仅限于实验室。

斯坦哈特并不相信。与卢卡·宾迪合作 意大利佛罗伦萨大学的一位地质学家拥有识别新矿物的诀窍，他们开始在野外寻找准晶体。

宾迪在大学博物馆的岩石中搜寻，寻找任何由铝和铜制成的东西——谢克特曼实验室培育的准晶体的成分。他发现了一块简单标记为卡蒂尔陨石的陨石。它很受欢迎：斑驳的灰色太空岩石中富含铝的颗粒含有有史以来发现的第一个天然准晶体。

这一发现让研究人员开始了他们的第一次准晶体追逐。为了证明该样本确实来自陨石，他们将其追溯到俄罗斯东北部偏远地区哈蒂尔卡。科学家们乘坐雪地履带车进入苔原四天，然后筛选了约 1.4 吨的粘土，寻找可能是陨石的岩石碎片。这是值得的：在他们回收的不到 0.1 克的陨石中，他们还发现了另外两个含有准晶体的微小颗粒。

狩猎从未真正停止过。自从 Khatyrka、Steinhardt、Bindian 和他们的同事从实验室之外的混乱世界中回收了更多的准晶体——最新一次是在 2023 年。

去准晶体狩猎

哈蒂尔卡陨石中的准晶体 嵌入在一种不寻常的铝铜合金的微小球体中，周围环绕着石英石——一种只有在极端压力下才会形成的致密石英。这个细节引起了宾迪和斯坦哈特的注意。他们认为，也许准晶体的产生并不像科学家想象的那样微妙、繁琐。也许所需要的只是一个影响。

这将与已知的准晶体配方截然不同。在实验室中，它们是通过仔细熔化、混合和冷却不同元素的精确比例而制成的。为了测试更粗略的方法是否也有效，他们与保罗·阿西莫（Paul Asimow）合作，加州理工学院的地质学家。

阿西莫的技术虽然粗糙但简单。他只是收集了准晶体的组成部分——铝和铜等金属——然后炸掉。 “你找到材料，将它们放入一个室中，将其固定在枪上，然后扣动扳机，”他说。

第一次尝试就成功了。 “这真的很容易，”阿西莫说。 “几乎每次，我们都能找到准晶体。这是最令人惊讶的事情。”该方法产生了具有五重旋转对称性和化学成分的新准晶体，这与之前报道的任何方法都不同。

受到鼓舞，斯坦哈特和宾迪开始考虑其他自然和非自然事件会产生极端压力，从小行星撞击到核爆炸。这就是他们发现拉巴斯放射性血红色玻璃的原因。

这种玻璃在收藏家中获得了狂热的追捧，因为它被发现是第一次原子弹试验“三位一体”的残余物，因此被称为“三位一体”。拉巴斯在曼哈顿计划试验场周围寻找陨石的几个月前，炸弹将沙漠中的沙子炸成了玻璃，玻璃与传输线上的铜混合在一起，闪烁着血红色的光芒。

拉巴斯收集的样本被分散到大学收藏、博物馆档案馆和私人手中。正是在由三位一体爱好者威廉·科尔布 (William Kolb) 策划的这样一个收藏中，宾迪和斯坦哈特做出了他们的下一个重大发现。

2021 年，他们证实三位一体内的微小金属球可能含有第一个人造准晶体。

两年后，他们发现了另一种“野生”准晶体 – 这次是在电熔岩样本中，这种材料也被称为闪电化石，是在内布拉斯加州的一根倒下的电线上，闪电击中沙子和金属时形成的。

总之，这些发现表明，准晶体在爆炸、冲击放电的混乱中很容易形成——而不仅仅是在原始实验室中。它们不仅仅是矿物学上的奇异事物。而且，以陨石的形式，它们实际上可以从天上掉下来。

今年早些时候，斯坦哈特、宾迪和他们的同事认为他们在意大利收集的微陨石中发现了另一种准晶体。每年，都有数千吨这些物质以灰尘的形式落到地球上。它们是由各种太空岩石脱落的，但大多数来自太阳系早期留下的古代小行星——球粒陨石，与哈蒂尔卡陨石属于同一类。

2024 年，斯坦哈特和宾迪与乔恩·拉森联手挪威奥斯陆大学的矿物学家，他开创了从屋顶灰尘中分离微陨石的方法。他们筛选了 5500 个样本，寻找准晶体。“我们发现了两种 [candidates]——还不是准晶体——但含有铝和铜，”斯坦哈特说。

尽管如此，这种准晶体近似 – 一种在近距离模仿图案的结构，但在更长的尺度上重复 – 非常了不起。像哈蒂尔卡样本中的铝铜合金在地球上已经很少见了。但是在陨石中发现这些违禁材料表明它们在太空中可能更常见。

球队也在追赶另一领先优势。今年 4 月，Bindi 和他的同事在澳大利亚的一块岩石中发现了一种准晶体近似体——钯、镍和碲的混合物，具有 12 重旋转对称性这是一个令人兴奋的迹象，表明“土生”准晶体可能存在，是由地球深处的动态过程形成的。

重写稳定性规则

随着每一项新发现，宾迪和斯坦哈特似乎都再次强调准晶体可以在“野外”形成。那么为什么要花这么大的力气来恢复更多呢？宾迪的答案很简单：大自然会给我们带来惊喜。

事实上，它已经有了。卡蒂卡陨石中发现的三块准晶体之一的结构从未有人预测过 – 既不是模拟也不是基于实验。在三位一体核试验残骸中发现的那个可能更令人惊讶。这是有史以来发现的第一个富含硅的准晶体，证明即使是普通矿物也可以在适当的冲击下转变为禁忌的图案。

“我们可以假设原因，”阿西莫说。也许准晶体在高温下是稳定的，突然的冲击会使它们快速冷却，足以将几何结构冻结到位。或者，冲击波后的湍流可能会机械地将原子推入准晶体结构。

多年来，理论学家认为准晶体最终注定会崩溃成传统的晶体结构，而分析材料稳定性的首选工具（称为密度泛函建模）无法证明这一点。它依赖于分析单个重复单元的特性并按比例放大，对于根据定义不重复的结构来说，这是一种徒劳的方法。

但这里的研究也在迎头赶上。今年，密歇根大学的孙文浩领导的一个小组找到了一种解决方法：研究人员没有扩大重复图案，而是模拟了越来越大的准晶体“勺”，并利用结果推断无限大勺的稳定性。他们发现一些准晶体可能是真正稳定的，这意味着无论等待多久，它们都不会自发分解成另一种材料。

如果正确的话，这一结果将为准晶体猎人长期以来所知道的事情提供理论上的依据：这些材料可以在自然界中存活数百万年，甚至可能数十亿年。这可能使它们成为创造它们的剧烈冲击的宝贵见证。

这种前景正是阿西莫瓦特继续进行实验的原因。他现在正在进行测试，这些测试将在冲击压缩过程中实时跟踪新生准晶体的原子结构。如果研究人员能够学会将特定的准晶体类型与不同的压力-温度条件相匹配，他们也许能够阅读历史 它们起源于的天体。

这意味着准晶体可以作为行星形成过程中宇宙撞击的标志，也可以告诉我们更多关于火星和月球等遭受流星撞击的世界的信息。斯坦哈特和宾迪试图获取阿波罗任务样本来寻找准晶体的迹象。到目前为止，运气还不错，但他们并没有放弃。

尽管澳大利亚的准晶体近似体并不完全是准晶体，但它确实表明地球深处的奇异过程也可以产生禁忌的对称性，从而使天然准晶体成为了解我们脚下隐藏的地质戏剧的潜在新窗口。

斯坦哈特和宾迪尚未通过筛选微陨石或地球岩石发现准晶体。但近似值是一个有希望的线索。宾迪对在有时包裹在火山玻璃中的微小金属液滴中寻找准晶体充满希望。斯坦哈特认为，在南极洲或格陵兰岛寻找微陨石可能会取得更好的结果，因为那里的太空尘埃会稳定地积聚在冰中。 “我想达到 100,000 [samples] 如果我们可以的话，”他说。