自然產生的準晶體之謎

數十年來，科學界一直認為晶體是由重複且週期性的晶格所定義的。這項結晶學的基本假設曾被視為絕對的自然法則：任何有序材料都必須在空間中完美地重複其模式。然而，準晶體的發現打破了這一範式，揭示了有序但非週期的結構。

什麼是準晶體？

準晶體是非週期性結構。與傳統晶體不同（傳統晶體就像壁紙一樣——不斷重複相同的晶胞），準晶體具有長程有序性，但缺乏平移對稱性。這意味著雖然結構遵循嚴格的數學規則，但其模式從未完全重複自身。

表徵這些材料是非常困難的。由於它們缺乏重複的晶胞，傳統的化學式無法以相同的方式應用。科學家必須改為描述材料的原型部分，以了解其整體組成。

稀有的形成條件

自然產生的準晶體極其罕見。它們的形成通常需要極端且瞬間的高溫，這種條件在傳統晶體緩慢生長數千年的地球環境中鮮少能見。 \n這些高能量事件提供了所需的快速淬火，以便在原子沉降到更穩定、週期的晶格之前，「凍結」原子於非週期狀態。

此類事件的範例包括：

• 太空碎片撞擊： 流星體撞擊地球表面時釋放的巨大能量可以創造出形成準晶體所需的條件。

• 閃電擊中： 當閃電擊中沙子時，產生的瞬間高溫可以觸發這些獨特結構的形成。

超越地質學範疇

雖然主要焦點通常集中在礦物學，但非週期性有序的概念在其他令人驚訝的地方也能發現。圍繞這些材料的討論已引導研究人員探索材料科學與其他領域之間的聯繫：

• 核副產品： 在像 trinitite（第一次原子彈試驗留下的殘骸）這樣的材料中，研究人員已鑑定出籠狀物 (clathrates)——一種將其他原子困在其中的籠狀化學晶格，反映了非傳統晶體結構的複雜性。

• 生物系統： 存在「自然」的副晶體病毒，例如 Invertebrate Iridescent Virus，它們可以使等足類動物變藍並最終導致其死亡，這證明了非週期性或非標準的晶體有序性可以在生物實體中顯現。

• 數學聯繫： 一些研究人員甚至假設，這些結構中的模式可能與質數的分佈有關，從而架起了材料科學與純數學之間的橋樑。

進一步探索

對於對這項發現的更深層歷史感興趣的人，Paul Steinhardt 所著的《The Second Kind of Impossible》一書提供了從理論轉向實驗，並最終在俄羅斯東部的隕石場尋找這些材料的詳細記錄。它強調了挑戰長期存在的科學信念，以在自然界中發現非週期性有序的旅程。