"三位一体"核试验遗留玻璃中发现新型笼状晶体结构

2026年05月14日 12:17 次阅读 稿源：cnBeta.COM 条评论

在被视为人类首次见证原子弹威力的三位一体（Trinity）核试验过去80多年后，科学家仍在其残留物中挖掘出全新的科学发现。 近日，对这一历史性核爆留下材料的最新分析显示，一种被称为笼形包合物（clathrate）的晶体结构首次在核爆产物中被确认存在。

1945年7月16日，美国在新墨西哥州沙漠实施代号为“三位一体”的钚弹试爆，这是曼哈顿计划的一部分。 这枚原子弹释放了相当于约2.1万吨TNT的能量，在爆心区域汽化了岩石及金属支撑结构，并裹挟周围大量沙粒，将其混合成一场剧烈的“原子风暴”。 在高温和数万倍大气压的极端条件下，这些熔融的沙子、黏土、试验塔上30米高钢结构中的金属，以及大量铜电缆，在瞬间熔合并迅速冷却，最终形成一种玻璃状物质，被命名为“三位一体玻璃”（trinitite）。

与漫画中的“氪石”类似，三位一体玻璃也有不同“版本”：常见的是绿色玻璃，而一种含铜量更高的红色玻璃则因掺入了更多来自铜电缆和支架的金属而显得独特。 这些玻璃曾一度被前往核试验遗址的游客当作纪念品收集，如今却成为研究极端条件下独特化学反应的宝贵样本。

早在2021年，由意大利佛罗伦萨大学地质学家卢卡·宾迪（Luca Bindi）领衔的团队，就在红色三位一体玻璃样品中发现了一种全新的二十面体准晶体结构，引发关注。 在最新研究中，宾迪团队通过X射线衍射与电子探针等技术，对富铜的红色三位一体玻璃微小熔滴进行深入分析，结果在先前发现准晶体的附近区域，又识别出一种全新的晶体物质。

研究团队在最新发表的报告中写道：“我们报告在三位一体核试验过程中形成的一种此前未知的[钙—铜—硅]I型包合物晶体，这是首次在核爆固态产物中通过晶体学方式确认存在包合物结构。” 包合物广泛存在于自然界，其特点是晶格呈笼状结构，可“囚禁”其他原子或分子。 虽然其结构排列方式与不规则的准晶体不同，但两者在三位一体玻璃中的元素组成有相似之处，这也促使研究者思考两者是否存在更深层的结构关联。

研究团队指出，由于包合物和准晶体都由沙漠砂和金属试验塔中常见的元素构成，因此可以认定二者均是在核爆过程中形成。 然而，基于样品成分建立的计算模型显示，如果处于常规条件，这种包合物结构仅在铜含量约10%时才能稳定存在，而实际三位一体玻璃中的铜含量达到了21%。 这意味着，这种“笼状”晶体必须在温度和压力急剧升高又迅速回落的极短时间内即时生成，仿佛在核爆那“眨眼之间”的瞬时窗口里被“冻结”下来。

研究还指出，这一发现排除了用简单“包合物框架”来解释三位一体准晶体结构的可能性，强调在极端条件下生成的富硅相具有各自独立、截然不同的结构特征。 科学家表示，这类极端环境极其罕见，也希望人类不再以核爆方式在现实中重现它们，因此三位一体试验遗留下的玻璃岩石，成为这种“毁灭瞬间中的创造”的独特自然实验记录。 相关研究成果已发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS），为人们理解极端条件下物质形态与晶体结构的演化提供了新的视角。

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