物理學家發現曼哈頓計劃“三位一體”試驗中形成的前所未知晶體

美國首次核彈試驗創造的一種不尋常晶體，可能有助于科學家理解量子計算機、太陽能和電池所需的結構。

美國首次钚內爆試驗——也是其引爆的第一枚核彈——將承載核彈的100英尺（30米）高塔，連同上面所有的銅線、銅護套和同軸電纜，全部汽化殆盡。

1945年7月16日，羅伯特·奧本海默啟動“三位一體”試驗，當量為2.1萬噸的炙熱火球幾乎瞬間在新墨西哥州上空炸開。爆炸使塔架汽化形成的金屬氣溶膠及其下方的砂巖荒漠塵埃暴露在超過2732華氏度（1500攝氏度）的高溫中。施加在這些物質上的壓力高達每平方英寸約100萬磅，堪比地下數百英里處，地殼擠壓地幔巖石所承受的壓力。

正因如此，80多年后，物理學家、地質學家和其他研究人員仍在昔日的曼哈頓計劃阿拉莫戈多轟炸靶場，不斷發現美國西南沙漠基本化學成分的劇烈重組產物，也就不足為奇了。

如今，歐洲和美國的物理學家揭示了一種他們稱為“前所未知的晶體相”的化合物。這種化合物被稱作籠形化合物（clathrate），由硅、鈣、鐵以及“三位一體”歷史性爆炸所汽化的部分銅組成。與其他籠形化合物一樣，這顆來自三位一體試驗場的晶體形成了復雜的幾何網格結構，能像納米級籠子一樣容納其他較小的分子或原子。

這項新研究的第一作者、意大利地質學家盧卡·賓迪及其同事寫道，這一發現“代表著在核爆炸固態產物中，首次通過晶體學手段確認了籠形化合物結構”。研究人員表示，該發現可能加深我們對這些珍貴晶體化合物的認識。

晶體化學

材料科學家極為看重籠形化合物在眾多高科技應用中的用途。例如，這些晶體可以像微型停車庫一樣，在鋰離子電池充放電循環的起始和結束時，儲存鋰離子。在各行各業中，籠形化合物已幫助工程師定制高度專用的硅化合物，通過注入或“摻雜”具有特定電學、磁學或催化特性的元素，來提升太陽能電池、量子計算機以及無數其他創新器件的性能。

賓迪及其合著者在新研究中更廣泛地指出：“這項工作凸顯了稀有高能事件——如核爆炸、雷擊和超高速撞擊——如何充當天然實驗室，生成意想不到的結晶物質。”

他們還在論文中寫道，新發現的籠形晶體還將作為一個真正的核爆極端案例，幫助科學家更好地模擬和預測這些復雜分子幾何結構的形成方式，而這種案例是“常規合成手段無法企及的”。

晶體鑰匙

研究人員在紅色托立尼提石（red trinitite）中發現了這種前所未知的籠形化合物。托立尼提石是“三位一體”核彈產生的玻璃化沙子的罕見碎片。“雖然大多數托立尼提石呈現特有的淡綠色，”研究人員指出，“但一種較為罕見的變種——紅色托立尼提石——富含來自汽化塔架、同軸電纜和記錄儀器的金屬。”

意大利佛羅倫薩大學礦物學與晶體學教授賓迪與普林斯頓大學、卡內基梅隆大學以及斯洛伐克科學院的物理學家合作，對這種籠形材料進行了極其精細的單晶X射線衍射分析，以繪制其三維幾何結構。隨后，他們對籠形化合物名副其實的多面幾何結構——十二面體（12面）與十四面體（14面）的硅籠——開展實驗，以判斷其是否可能與2021年他們在三位一體試驗場發現的另一種不尋常準晶體存在關聯。

盡管研究人員未能確定這兩種由核爆炸生成的不尋常化合物之間存在聯系，但他們指出，該地點的紅色托立尼提石中還存在許多不尋常且尚待發現的化合物，正等待進一步比較和對照。

賓迪及其合著者在研究中指出：“對紅色托立尼提石中金屬液滴的系統研究揭示了一系列不尋常的物相，反映了爆炸期間產生的獨特化學環境。”

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