看闪电产生奇怪晶体
知新了了 原创 2023/1/30
一股猛烈的电流冲击了美国内布拉斯加州的一个沙丘，留下了自然界中罕见的晶体结构。
上图：沙丘闪电熔岩的横截面(左)和扫描电子显微镜图像(右)。
科学家们在一块由强大的电流进入并熔化沙子而形成的闪电熔岩（或称“闪电化石”）内部发现了一种准晶体，这是一种曾经被认为不可能的物质排列。这一发现表明，准晶体存在以前未知的形成途径，并为在实验室中合成准晶体开辟了新的途径。
意大利佛罗伦萨大学的地质学家卢卡·宾迪（Luca Bindi）领导的一个研究小组，在他们的论文中写道：“目前的调查，旨在探索一种不同的可能受自然启发的产生准晶体的机制：放电。在一种闪电熔岩中发现了一种准晶体，这种准晶体具有罕见的12倍对称性，而且以前没有报道过这种成分，这表明，这种方法在实验室中也很有前途。”
自然界中大多数晶体固体，从不起眼的食盐到最坚硬的钻石，都遵循相同的模式：它们的原子排列在三维空间中重复的晶格结构中。
没有这些重复原子结构的固体（像玻璃这样的无定形固体），通常是原子的混乱，一堆原子毫无规律地挤在一起。准晶体打破了这一规则 —— 它们的原子以某种模式排列，但这种模式不会重复。
上图：沙丘闪电熔岩。准晶体是在右边的部分发现的。
当准晶体的概念在20世纪80年代首次出现时，人们认为这个概念是不可能的。固体可以是结晶的，也可以是无定形的，而不是这种奇怪的介于两者之间的。但后来科学家们在实验室和自然界中都发现了它们，在陨石的深处。
随后，地质学家卢卡·宾迪和他的同事、普林斯顿大学的物理学家保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）以及他们的团队，在1945年的一次核弹试验中发现了一种准晶体。虽然不完全是“自然”条件，但这一发现表明，可能有其他条件也可以形成准晶体。闪电是自然界中最强大的力量之一，以极快的速度撞击，并能将其穿过的空气加热到太阳表面温度的5倍。
而且，当它以足够的能量在正确的地方撞击地面时，它可以融化沙子，留下一个闪电熔岩 —— 它穿过地面的路径的“化石”。
他们从内布拉斯加州沙丘地区的一个靠近倒塌电线的地方获得了一个闪电熔岩样本，并对其进行了扫描电子显微镜和透射电子显微镜，以确定其化学成分和晶体结构。
样本包括熔化的沙子，以及电线上熔化的金属导体的痕迹。在其中，研究人员发现了一个十二面体（十二面）准晶体，其中含有先前从未报道过的成分：Mn72.3Si15.6Cr9.7Al1.8Ni0.6。
上图：准晶体截面的高角度环形暗场透射电子显微镜图像，显示了其有序性和无序性。这个准晶体中的原子形成了一种12倍对称的图案，以一种在正常晶体中不可能出现的准晶体顺序排列。目前，还不清楚是闪电还是电力线产生了闪电熔岩。然而，根据他们的分析，研究小组确定，沙子必须被加热到至少1710摄氏度（3110华氏度）才能产生闪电熔岩。
他们在论文中写道：“发现由雷击或倒下的电线形成的十二角准晶体，这表明放电实验可能是我们合成方法武器库中的另一种方法。”
这一发现指出了以前可能被忽视的准晶体形成途径 —— 无论是在地球上还是在地球以外。
这里给出的结果，加上在天然准晶中测得的微量元素丰度，开启了这样一种可能性，即早期太阳星云中的放电可能发挥了关键作用，不仅解释了必要的还原条件，而且还促进了准晶的形成。这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。
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