При взрыве первой атомной бомбы в пустыне образовалась редкая кристаллическая структура, не поддающаяся обычной химии
Когда в 1945 году на полигоне Тринити взорвалась первая в мире атомная бомба, она превратила пустынный песок в уникальную лабораторию для, казалось бы, невозможной науки. Даже спустя десятилетия радиоактивное стекло, созданное тем взрывом, продолжает раскрывать новые материалы, которые обычная химия не в состоянии объяснить.
Недавно исследователи обнаружили ранее неизвестный кальций-медно-кремниевый клатрат в обломках после ядерных испытаний на Тринити в 1945 году. Найденный в сформированном взрывом стекле трините, этот кубический кристалл, напоминающий клетку, представляет собой первый подтвержденный клатрат, образованный в результате ядерного взрыва. Самое интересное, что этот кристалл невозможно создать в стандартной лаборатории.
В своем исследовании ученые из Флорентийского университета сообщили, что обнаружили ранее неизвестный клатрат типа I, состоящий из кальция, меди и кремния, который образовался во время ядерного испытания на Тринити. Это первый кристаллографически подтвержденный клатрат, идентифицированный среди продуктов ядерного взрыва.
Клатраты представляют собой архитектурные чудеса микромира. Эти кристаллы состоят из атомных «клеток», которые захватывают внутри себя атомы-гости. Данный ранее неизвестный материал является клатратом типа I, образованным кальцием, медью и кремнием. Эта специфическая версия имеет кубическую форму с геометрическими фигурами наподобие двенадцатигранников. Его структура включает молекулярную клетку, построенную из кремниево-медного каркаса, образующего жесткую решетку. Эти геометрические клетки захватывают атомы кальция, создавая стабильное, но экзотическое расположение материи, которое не встречается в нормальных условиях окружающей среды.
Для его создания природе потребовались специфические, жестокие, далекие от равновесия условия, возникшие 16 июля 1945 года. Речь идет о миллионах градусов тепла, сокрушительном атмосферном давлении и процессе охлаждения, настолько быстром, что он, по сути, заморозил атомы на полпути, прежде чем они смогли вернуться в нормальное состояние. Эти условия позволяют формировать неравновесные фазы — материалы, которые просто невозможно создать с помощью обычного лабораторного синтеза.
Для данного исследования команда смешала методы атомного картирования с физическими прогнозами, основанными на фундаментальных принципах, чтобы понять обломки взрыва. Как отмечается в исследовании, сочетание кристаллографического анализа с расчетами из первых принципов помогает развитию материаловедения, физики конденсированного состояния и ядерной диагностики, показывая, как экстремальные условия способны формировать кристаллическое вещество в состоянии, далеком от равновесия.
Хотя это открытие и представляет исторический интерес, его реальное значение заключается в том, чему оно нас учит о фундаментальных законах физики. Новый клатрат был найден рядом с икосаэдрическим квазикристаллом — еще одной аномальной структурой, долгое время считавшейся невозможной с точки зрения классической кристаллографии, которая была обнаружена в материалах с Тринити несколько лет назад. Эти кристаллы фиксируют доли секунды физического процесса, который люди почти никогда не наблюдают напрямую. По словам ведущего исследователя Луки Бинди, эти микроскопические структуры помогают нам понять, как ведет себя материя во время других высокоэнергетических космических событий, таких как удары молний, падения метеоритов и даже столкновения планет.
Поскольку клатрат формируется только в очень узком диапазоне высоких энергий, он служит «мгновенными снимками» физики и химии, работающих на пределе своих возможностей. В конечном итоге новые открытия могут устранить разрыв между рукотворными взрывами и космическими явлениями, предлагая жизненно важные новые сведения как для минералогии, так и для физики конденсированного состояния. В материаловедении это открытие может выявить новые атомные структуры для будущего синтеза материалов, а в физике конденсированного состояния позволяет исследовать, как материя функционирует в экстремальных, нестабильных условиях. Кроме того, эта работа помогает ядерной криминалистике, создавая минеральный отпечаток для реконструкции конкретных температур и давлений прошлых или неопознанных ядерных событий.
Исследование в журнале PNAS.