自然界中天然准晶体的奥秘

几十年来，科学界一直认为晶体是由重复的、周期性的点阵定义的。这一晶体学的基本假设曾被视为绝对的自然法则：任何有序材料都必须在空间中完美地重复其图案。然而，准晶体的发现打破了这一范式，揭示了有序但非周期的结构。

什么是准晶体？

准晶体是非周期性结构。与传统的晶体（就像壁纸一样——一遍又一遍地重复相同的晶胞）不同，准晶体具有长程有序性，但缺乏平移对称性。这意味着虽然结构遵循严格的数学规则，但图案永远不会完全重复自身。

表征这些材料是极其困难的。由于它们缺乏重复的晶胞，传统的化学式无法以相同的方式应用。科学家们必须转而描述材料的原型部分来理解其整体组成。

罕见的形成条件

天然准晶体极其罕见。它们的形成通常需要极端且瞬时的高温，而这些条件在传统晶体缓慢生长数千年的地球环境中很少见。

这些高能事件提供了所需的快速淬火，使得原子在能够沉降到更稳定的周期性点阵之前，“冻结”在非周期状态中。此类事件的例子包括：

• 太空碎片撞击： 流星体撞击地球表面时释放的巨大能量可以为准晶体的形成创造必要的条件。

• 闪电击中： 当闪电击中沙子时，产生的瞬时高温可以触发这些独特结构的形成。

超越地质学领域

虽然主要关注点通常在矿物学上，但非周期性有序的概念在其他令人惊讶的地方也能找到。围绕这些材料的讨论已引导研究人员探索材料科学与其他领域的联系：

• 核副产品： 在像 trinitite（第一次原子弹测试留下的残留物）这样的材料中，研究人员已经发现了笼状物（clathrates）——一种将其他原子困在其中的笼状化学点阵，反映了非传统晶体结构的复杂性。

• 生物系统： 存在“天然”的副晶体病毒，例如 Invertebrate Iridescent Virus，它可以使等足类动物变蓝并最终导致其死亡，这证明了非周期性或非标准晶体有序性可以在生物实体中体现。

• 数学联系： 一些研究人员甚至假设，这些结构中的图案可能与素数的分布有关，从而架起了材料科学与纯数学之间的桥梁。

进一步探索

对于那些对这一发现的更深层历史感兴趣的人，Paul Steinhardt 所著的《The Second Kind of Impossible》一书详细记录了从理论到实验，以及最终在俄罗斯东部的陨石场寻找这些材料的过程。它强调了挑战长期存在的科学信念以发现自然界中非周期性有序的过程。