Перші вибухи атомної бомби в липні 1945 року залишили по собі унікальний релікт – крихітний квазікристал. Його кристалічна структура – унікальна у світі, і симетрична почергово: п’ятикратно, потрійно або подвійно. Квазікристал виник, коли спека й тиск розплавили пісок і мідний кабель тестового пристрою. Це найстаріший квазікристал, виникнення якого зумовлене людиною, і досі єдиний, що переважно складається з кремнію.
Цей фрагмент тринітіту виник 1945 року під час випробувань ядерної зброї. У ньому науковці виявили квазікристал. Зображення: Luca Bindi und Paul J. Steinhardt.
Квазікристали – це цікаві утворення, які впродовж тривалого часу вважади «неможливими». На відміну від нормальних кристалів, атомна ґратка квазікристалів не складається з однакових, періодично повторюваних симетричних основних частинок. Натомітсь у них змінюються кілька геометричних форм.
Досі відомо тільки декілька природних квазікристалів. Вони походять з метеоритів. Але й у лабораторії вдалося створити кілька таких екзотичних мінералів.
Зараз вчені на чолі з Лукою Бінді (Luca Bindi) з Флорентійського університету виявили квазікристал, що з огляду на походження та структуру є унікальним. Він виник під час вибухів Триніті, що відбулися 16 липня 1945 року, – у перших у світі тестуваннях атомної бомби. Це були вибухи плутонію в ядерній зброї, яку помістили на узбережжі Нью-Мексико. Вивільнена енергія, що дорівнювала 21 кілотонні тротилового еквіваленту (ТНТ), росплавила пісок та мідний кабель на майданчику для випробовань на території діаметром до 300 метрів, а це призвело до виникнення нового типу кам’яного скла, так званого тринітіту.
Зразок цього тринітіту Бінді та його команда дослідили детальніше. Йшлося про маленький шматочок кам’яного скла завбільшки один сантиметр, що через вміст міді має червоно-коричневе забарвлення. «Цей червоний тринітіт міг виникнути на відстані 55-60 метрів від епіцентру ядерного вибуху, в зоні, де закінчувався коаксіальний кабель, що відходив від верхівки приладу», – повідомили науковці.
Ядерна зброя була поміщена на 30-метровій вежі. Зображення: National Nuclear Security Administration.
Детальніше проаналізувавши тринітіт з допомогою електронної мікроскопії та рентгенокристалографії, науковці виявили несподіване: в скляному утворенні вони ідентифікували крихітну краплю, що має незвичну структуру ґраток. В ній атоми кремнію, міді, кальцію та заліза почергово утворюють п’ятикратну, трикратну та подвійну симетрію.
«Це поєднання зразків однозначно засвідчує: тут йдеться про ікосаедричний квазікристал», – констатували Бінді та його команда. На підставі свого аналізу та історичних даних про тестування Триніті вчені припускають: квазікристал утворюється при температурі приблизно 1500 градусів та за тиску 5-8 гігапаскалів.
Так науковці не лише виявили новий квазікристал – вони підтвердили його унікальність. Зараз це єдиний з відомих зразків цього твердого тіла, що виник при вибуху бомби. «Момент його синтезу визначається секундами», – сказали Бінді та його команда. Ще неясно, чи цей квазікристал також можна створити в лабораторії та які умови для цього потрібні.
Червоним обведений квазікристал. Зображення: Luca Bindi und Paul J. Steinhardt.
Крім того, аналізована структура – найстарша з досі відомих антропогенних квазікристалів: вперше в лабораторії створити квазікристал вдалося лише 1984 року, натомість тринітіт має 76 років. «Єдиний старіший екземпляр квазікристалів, утворених природним шляхом, походить з матеориту Хатирка, якому щонайменше кілька мільйонів років, можливо, він навіть походить з ранніх етапів розвитку Сонячної системи», – сказали Бінді та його колега.
Також унікальним є склад нововідкритого квазікристалу. Його молекулярна формула Si61Cu30Ca7Fe2 засвідчує: це перший квазікристал, що більшою мірою складається з кремнію. «Досі не виявляли жодної іншої суміші з кремнію, міді та кальцію, що була б квазікристалом, також немає жодного квазікристалу, який би складався переважно з кремнію», – сказали вчені.
Чи в інших місцях випробовування атомних бомб виникали досі невідомі квазікристали, мусять виявити інші дослідження. З огляду на екстремальні умови за цих вибухів, науковці вважають це цілком можливим. Адже всі з досі відомих природних квазікристалів виникали за подій, пов’язаних з дуже високими температурами та короткими, сильними хвилями тиску.
Nadja Podbregar
Atombombentest schuf einzigartigen
Proceedings of the National Academy of Sciences, 18. Mai 2021; doi: 10.1073/pnas.2101350118
Зреферувала С.К.
03.06.2021