Учёные обнаружили новый сплав сформировавшийся во время атомной бомбардировки Хиросимы
Учёные из Флорентийского университета обнаружили ранее неизвестный многокомпонентный металлический сплав, образовавшийся во время атомной бомбардировки Хиросимы 6 августа 1945 года. Необычный материал более 80 лет оставался скрытым внутри частицы хиросимита — стекловидного вещества, возникшего в результате ядерного взрыва. Открытие позволяет лучше понять, какие материалы могут формироваться в экстремальных условиях ядерной детонации.
Необычный сплав был найден исследовательской группой под руководством Луки Бинди с кафедры наук о Земле Флорентийского университета. Учёные изучали микроскопическую металлическую частицу, заключённую в стекловидной матрице, полученной из песка залива Хиросима.
Анализ показал, что материал имеет сложный химический состав и содержит кремний, а также железо, хром, никель, марганец, молибден, алюминий и ряд других элементов. Исследователи установили, что его кристаллическая структура не соответствует ни одному ранее описанному материалу.
Ядерные взрывы создают уникальную физико-химическую среду, существующую лишь доли секунды. Температуры при этом достигают экстремально высоких значений, различные природные, строительные и промышленные материалы мгновенно испаряются, а затем столь же быстро охлаждаются. По словам Луки Бинди, именно такие условия способны привести к образованию кристаллических и металлических фаз, которые невозможно получить ни естественным путём, ни традиционными промышленными технологиями.
Изученный образец относится к так называемым хиросимитам — стекловидным микросферам, возникшим после взрыва атомной бомбы и сохранившимся в прибрежных отложениях залива Хиросима. Внутри одной из таких микросфер исследователи обнаружили множество металлических включений феррохрома — сплава железа и хрома.
Однако особый интерес вызвал один из фрагментов, который оказался значительно обогащён кремнием и обладал кристаллической структурой, неизвестной современной науке. По мнению авторов работы, этот сплав образовался при конденсации сложной металлической смеси, возникшей после испарения городских построек, промышленных объектов и горных пород, оказавшихся внутри огненного шара ядерного взрыва.
Последовавшее затем сверхбыстрое охлаждение «заморозило» метастабильную атомную структуру — состояние, которое не является наиболее энергетически выгодным, но сохранилось благодаря исключительно высокой скорости падения температуры. Именно это позволило необычному сплаву просуществовать более восьми десятилетий.
Авторы исследования считают, что открытие подтверждает способность ядерных взрывов выступать своеобразными лабораториями по синтезу материалов, возникающих в условиях, далёких от термодинамического равновесия. Подобные материалы невозможно воспроизвести в обычных природных условиях или с помощью существующих промышленных технологий.
Кроме того, результаты работы открывают новые возможности для развития ядерной криминалистики — области науки, которая занимается анализом радиоактивных материалов и остатков ядерных взрывов для определения их происхождения, истории и возможного назначения. Образующиеся при ядерных детонациях стекловидные частицы и металлические микросплавы сохраняют информацию о температуре, химическом составе среды и динамике процессов, происходивших во время взрыва. Благодаря этому они становятся своеобразными архивами экстремальных событий.
Это исследование продолжает серию работ той же научной группы. В 2021 году учёные обнаружили в остатках испытания Trinity — первого в истории ядерного взрыва, проведённого в Нью-Мексико в 1945 году, ранее неизвестный квазикристалл, случайно сформировавшийся во время детонации. Позднее в тех же образцах исследователи нашли ещё одну уникальную структуру — клатрат, представляющий собой кристаллическую решётку, способную удерживать молекулы внутри своеобразных «клеток».
Новое открытие значительно расширяет представления о материалах, возникающих при ядерных взрывах. Исследователи отмечают, что подобные события способны формировать самые разные сложные фазы вещества — как обычные периодические кристаллы, в которых атомы расположены по регулярно повторяющемуся шаблону, так и квазипериодические структуры, известные как квазикристаллы, где порядок сохраняется, но уже без строгой периодичности.
Все эти материалы возникают в результате чрезвычайно быстрых процессов плавления, испарения, смешивания веществ и последующей закалки — мгновенного охлаждения, которое не позволяет атомам перейти в состояние термодинамического равновесия.
Обнаруженный в хиросимите металлический сплав стал ещё одним подтверждением того, что ядерные взрывы способны создавать материалы со структурами и составом, не встречающимися ни в природе, ни в обычной промышленности. По мнению авторов исследования, дальнейшее изучение подобных соединений позволит глубже понять процессы, протекающие в экстремальных неравновесных условиях, а также может способствовать разработке новых материалов с уникальными свойствами.
Исследование в журнале PNAS.