科學人／三位一體核試驗80年後…當地發現紅色「賢者之石」

1945年，新墨西哥州（New Mexico）的阿拉莫戈多轟炸機靶場（Alamogordo Bombing Range），引爆了人類史上首次的鈽內爆式裝置「三位一體核試驗」（Trinity test）。這場爆炸釋放了相當於 2.1 萬噸 TNT 的能量，產生瞬間超過 1500 °C 的高溫與高達 8 GPa 的極端壓力。

超極端的煉丹爐

在這樣的毀滅性環境下，阿拉莫戈多轟炸機靶場的沙粒被捲入火球，與氣化的 30 公尺高測試鋼塔、銅製電纜等金屬設施混合，冷卻後形成了一種名為「托立尼提石」（trinitite）的玻璃狀熔渣。

物理學家製造的賢者之石

這塊物質的微觀結構有不同層次：

1.最外層（基底）：紅色托立尼提石的矽酸鹽玻璃 核爆瞬間，沙漠的沙子被高溫熔化，冷卻後形成了大塊的玻璃狀物質（也就是托立尼提石）。因為混入了從測試鋼塔、同軸電纜和儀器中氣化的金屬成份，而呈現紅色。

2.中間層（夾雜物）：金屬微滴 在微觀尺度下，這塊紅色玻璃其實是非常不均勻的。那些被氣化的金屬在快速冷卻時，並沒有完全和沙子融為一體，而是像巧克力豆餅乾裡的巧克力豆，在較低密度的矽酸鹽玻璃基質中，凝結成了許多微小的高密度金屬微滴。

3.最內層（核心）：新發現的全新晶體 科學家利用奈米電腦斷層掃描與單晶 X射線繞射技術，在這塊紅色樣品中，鎖定了其中一顆富含銅的金屬微滴。接著，進一步分析這顆金屬微滴的內部，才在金屬微滴裡面找到了一顆直徑僅約 10 微米的全新晶體粒狀物。

核爆產物的「分子牢籠」

包合物的特徵是具有立體的籠狀結構，能將其他的客體原子牢牢困在其中。這個新晶體的化學式為 Si85Ca12Cu2Fe：是在矽原子構成的十二面體與二十四面體籠狀骨架中，完美包覆著鈣原子，並有微量的銅與鐵取代部份鈣或矽原子。

不同濃度的銅魔法

而紅色托立尼提石之所以呈現特殊的「牛血紅」（oxblood red），是因為核爆瞬間產生的高溫把鋼塔、電纜以及記錄儀器氣化，這些設施中的一價亞銅（Cu+）混入熔化的沙漠沙粒，散佈在玻璃基質中，使整塊玻璃呈現鮮明的血紅色。

在這些被銅染紅的微觀金屬微滴中，還隱藏著另一個科學懸念：幾年前，科學家發現地球上極為罕見、富含矽的二十面體「準結晶」（quasicrystal）。由於這次發現的第一型包合物與先前的準結晶都誕生於極端環境、富含銅的金屬微滴中，且化學組成極度相似，科學家不禁好奇兩者是否有更深層的結構關係？為了驗證準結晶是否可能由包合物結構演變而來，研究團隊運用密度泛函理論（density functional theory, DFT），建立了一個「1/1 二十面體包合物近似相」模型，測試結構的穩定性。

結果揭示，決定兩者命運的關鍵在於「銅的比例」。當晶體內的含銅量佔10~11% 時，化學結構能保持包合物的拓樸型態；但含銅量攀升至 21% 時，原本的籠狀結構就會變得極不穩定，進而出現非晶化現象（amorphization）。

突破極限的實驗室

這類稀有的晶體物質皆處於「亞穩態」（metastable），只能在極端且極短暫的高溫高壓下生成。這項研究再次證明，諸如核試爆、雷擊或超高速隕石撞擊等罕見的高能毀滅性事件，實質上扮演了「超極端實驗室」的角色。它們創造出顛覆傳統化學平衡合成法、超乎人類預期的晶體物質，持續挑戰並擴張我們對材料科學與凝聚態物理學的認知邊界。

參考資料：

1.Luca Bindi et al., Extreme nonequilibrium synthesis of a Ca–Cu–Si clathrate during the Trinity nuclear test, PNAS (2026). DOI: 10.1073/pnas.2604165123

2.https://phys.org/news/2026-05-years-trinity-nuclear-scientists-molecule.html

（本文出自2026.6.19《科學人》網站，未經同意禁止轉載。）