广岛湾沙粒中的玻璃球保存了一颗微米级多元合金。它可能由核爆金属蒸气凝结并超快冷却形成。
1945年8月6日广岛原子弹空爆产生了极端而短暂的高温、高压和化学环境。研究人员在广岛湾海滩沙粒中的“广岛石”玻璃球内，发现一种此前未知的多组分合金。金属颗粒只有微米大小，被封存在快速凝固的玻璃基质中，因此保留了核爆火球内非平衡过程留下的结构。
电子显微镜拍摄的后空电子图像
电子探针分析显示，这颗合金成分均匀，富含硅，并由铁、铬、镍、锰、钼、硅和铝7种元素组成。单晶X射线衍射进一步确定，它属于P213空间群，具有有序AlAu4型结构，可视为β锰结构的一种有序衍生形式。这种元素组合与晶体排列此前没有在自然样品或已知材料中确认。
形成过程可能始于爆炸火球将建筑、工业设备和地表物质汽化。不同来源的金属进入同一团高温混合蒸气，随后在膨胀和降温过程中凝结。冷却速度极快，原子没有时间进入常规平衡状态，于是被锁定在复杂而罕见的有序结构中。颗粒随后进入熔融液滴，并随玻璃快速淬火保存下来。
扫描电子显微镜采集的X射线元素图谱
研究使用电子显微分析确定化学成分，再以单晶X射线衍射解析微小颗粒的三维晶体结构。结果不仅提供一种新合金，也证明核爆等高能等离子体事件能够稳定通常难以形成的复杂金属相。常规冶金往往通过缓慢冷却或受控热处理寻找稳定结构，而火球提供的是温度、压力、混合与冷却速度同时急剧变化的极端路径。
原子弹遗留物因此不只是历史证据，也是一座天然的非平衡材料实验室。研究这些微粒，可帮助理解超快凝结如何改变元素分配和晶体有序性，并为寻找新型多元合金提供线索。
左：富含硅的Fe-Cr合金的晶体结构
右：硅原子的近等体晶体化学环境
有序AlAu4型结构尤其关键。它说明这些元素并非随机冻结成普通混合物，而是在极短时间内形成了明确的原子排列。β锰衍生结构常与复杂对称性和多元素占位有关，新的富硅合金扩展了这类结构可容纳的化学范围。未来可通过计算和实验模拟类似冷却路径，判断这种相的稳定区间和可能性质。
不过，单颗微米级晶粒只能证明这种材料能够形成，尚不足以说明它在爆炸残留物中有多普遍，也不能直接确定全部原料来源。更多样品和同位素、微量元素分析可进一步约束形成过程。但这种发现来自灾难性事件，其科学价值不能脱离形成它的历史背景。对样品的保存和研究也需要尊重遇难者及当地社会。样品记录了材料科学上罕见的过程，也保存着核爆改变城市与环境的物质痕迹。
原文：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeg8299