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揭开神秘的面纱:来自外太空的超稀有晶体材料
发布:lee_9124   时间:2016/6/21 20:13:42   阅读:442 
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准晶体,一种异于普通晶体的稀有材料,物理学家已发现某些稀有材料受重震能产生准晶体。但是,天然准晶体却是天外来物。普林斯顿大学的物理学家Paul Steinhardt偶然发现了一块天然准晶体,可追溯到降落在俄罗斯科里亚克山脉的陨石。准晶体究竟有多神秘?且看下文分解。
 

准晶体是一种具有完全有序结构的特殊材料,但所谓的有序并不是指简单的周期性重复排列。到目前为止,大部分都是在实验室中制得的,只发现了一例纯天然准晶体。现在,物理学家相信,他们已经弄清了准晶体的产生机制。

加州理工学院的Paul Asimow和他的合作伙伴今天在美国国家科学学院院刊发表的一篇论文, 介绍了如何使某些稀有材料受重震产生准晶体。 他们的研究结果表明,准晶体可能在岩石降落到地面形成陨石之前,在小行星带碰撞期间形成。

那么是什么让准晶体如此特殊?晶体通常由精确有序的原子排列而组成,其点阵(蜂窝状)结构不断重复进而形成周期性的图案。但是,准晶体的点阵并不是完全重复排列,而是在相邻晶胞内有微小的变化。然而,他们却遵循确切的数学规则,类似于著名的Fibonacci序列,其中每一个数字是它之前的两个数的和(1,1,2,3,5,8,13,21,等等)。

例如,你可以在华丽的西班牙阿罕布拉宫的马赛克上看到这种排列方式。想想浴室地板,只用三角形、正方形或六边形的瓷砖进行平铺。如果不能有任何缝隙或重叠,那么这意味着一个五边形的五点对称是行不通的。如果有一种方法用其它形状原子来填补缝隙,使所有原子紧密排列,这显然也是可以的。
 

1982年4月,Daniel Schechtman笔记本的一页(图片:诺贝尔奖基金会)

1982年,准晶体首次由以色列物理学家Daniel Schechtman(随后在以色列理工学院任教)发现,他在电子显微镜下观察铝—锰合金样品时发现了一种奇怪的非周期性图案。“Eyn chaya kao(“不可能有这样的事物”)”他用希伯来语喃喃自语道。然而,事实就是如此。

可怜的Schechtman忍受了很多同行们的嘲笑,实验室负责人讽刺地劝他重新阅读他的晶体教科书,甚至一度要求他离开研究小组,但他笑到了最后。Schechtman的发现引发了一场晶体革命,并获得了2011年诺贝尔化学奖。至今为止,在全球范围内的实验室里,已经制备出超过100种不同种类的准晶体。准晶体材料可用于制作不粘锅,LED灯和手术器械等其他应用中。

2007年,普林斯顿大学的物理学家Paul Steinhardt在梳理博物馆收藏的岩石时偶然发现了一块准晶体,在此之前还没有人发现天然准晶体。之后他以此为基础,追溯到一块降落在俄罗斯科里亚克山脉的陨石,甚至组织一支探险队到那里寻找更多的准晶体样品。他推断天然准晶体来自于外太空。
 

Asimow对于这个惊人的发现提出了两个关键性的问题。第一,如何才能在自然界中形成准晶体?第二,他们为什么如此罕见?他得到了第一个线索:Steinhardt在Khatyrka陨石晶粒中发现了一些奇怪的纹理(在铁晶粒形成时),Asimow认为这些纹理与经过压缩冲击试验的材料所形成的纹理非常相似。

冲击压缩试验是,科学家把材料样品放置在一个特殊钢腔内并向它发射弹丸,使其承受难以置信的高压。这是用来探索材料在极端环境下表现的试验手段。

Steinhardt的假设似乎是合理的,因为科学家们已经证实Khatyrka陨石在坠落到地球之前经历了某种震动,最有可能的是在太阳系初期的小行星带中与另一个物体发生碰撞而产生的。所以Asimow选用铜—铝合金试样(成分类似于陨石中的某种物质)放入该室,并用钽胶囊冲击它来产生等效于20万个大气压的环境。

瞧!现在他和同事们使用铁含量超标的铜—铝合金作为样品,进行分析后便观察到了准晶的独特图案。

“我们知道,陨石已经经历过震荡了,我们推测,震荡可能是必要的的过程,当我们第一次尝试时,它便起作用了。” Asimow说道。“这告诉我们,如果有合适的原料及冲击强度,产生天然准晶体也不是那么难。”

他的研究结果提供了一个基本的机制,尽管在冲击压缩过程中形成准晶的精确细节还没有被探索出来。至于为什么准晶体在野外如此罕见,Asimow认为,其部分原因是铜—铝合金太稀有。这在迄今为止研究的其它任何陨石中都不存在,这是具有完全不同化学行为的两种金属,通常不会共存。

但是,这并不意味着其他类似陨石不存在准晶体。直到20世纪70年代陨石都是相当罕见的,但是,现在数以千计的陨石无时不刻的被收集。搜寻陨石最好的地方是南极洲和撒哈拉沙漠,在那里,黑色的岩石很容易在白雪和沙子里找到。

Asimow如今对实验进行微调,部分是为了确定其中铁的来源。 他设置了两个以上的对照实验,以消除他第一个实验中潜在的铁源——最有可能的钽胶囊。虽然他还没有分析数据,但完全不希望其形成准晶体。随后他对最初的实验进行改进,进一步探究在精确条件下准晶体如何自发形成。

现在,他很高兴他的第一次尝试便解答了最初的问题。“这解释了天然准晶体形成的机制,以及为什么我们尚未发现其他机制。”Asimow说。“因为我们有独特的原料和环境。现在最大的谜团就是为什么铜铝合金会大量存在于这种陨石当中。”这值得我们进一步的探索。


来源:材料人网
 
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