台灣新聞通訊社-科學人／三位一體核試驗80年後…當地發現紅色「賢者之石」

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示意圖由ChatGPT生成

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

8 GPa 相當於 8 萬倍的標準大氣壓力，大約是地球海洋最深處——馬里亞納海溝底部水壓的 80 倍。1500 °C 的高溫已超越一般玄武岩岩漿的溫度（約 1200 °C），甚至逼近純鐵的熔點。這種極端條件在一般實驗室中完全不可能重現。

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

大部份的托立尼提石呈現淺綠色，但在距離爆炸中心約 60 公尺處，卻發現了極為稀有的「紅色托立尼提石」。紅色托立尼提石本身並不是一顆單一的「紅色晶體」，而是一塊不均勻的紅色玻璃狀熔渣。其內部富含了各種獨特的金屬微滴，完美封存了非平衡狀態下的瞬間冷卻紀錄。

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」

這個從未見過的全新晶體，是一種「第一型包合物」（type-I clathrate），屬於立方晶系，這也是科學界首度在核爆的固體產物中，確認了包合物的存在。

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

沙漠沙子通常含有微量的鐵質，當這些含鐵的沙粒熔化成玻璃時，內部的二價鐵離子（Fe2+）通常會使玻璃呈現淺綠色。

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

這項 DFT 模擬結果不僅排除了準結晶是由簡單的包合物結構演變而來的可能性，更呈現出極端條件下，微觀環境裡元素佔比的些微差異，就能造就截然不同的晶體演化走向。

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