Испытание первой атомной бомбы породило неизвестный науке кристалл
Ученые обнаружили необычный кристалл в материале тринитите — стекловидном веществе, образовавшемся после первого ядерного испытания США «Тринити» в 1945 году. Хотя сам кристалл сформировался в момент взрыва, его структура стала известна только сейчас, после повторного анализа образцов с применением современных методов.
Результаты были опубликованы в журнале PNAS.
Взрыв, изменивший минералы
Испытание «Тринити» 16 июля 1945 года в Нью-Мексико стало первым в истории ядерным взрывом. Энергия, эквивалентная примерно 21 килотонне тротила, мгновенно испарила 30-метровую башню и окружающее оборудование. Песок, металл и элементы конструкции были расплавлены и подняты в огненный шар.
При резком охлаждении эта смесь застыла в стекловидное вещество — тринитит. Именно в нем спустя десятилетия при повторном изучении начали выявлять необычные кристаллические структуры.
Кристалл с необычной атомной архитектурой
Группа геологов под руководством Луки Бинди из Флорентийского университета описала ранее неизвестный клатрат — структуру, в которой атомная решетка формирует «клетки», удерживающие другие атомы внутри.
Исследователи отмечают:
«Экстремальные, кратковременные условия, создаваемые ядерными взрывами, могут приводить к образованию твердотельных фаз, недоступных для традиционного синтеза», — пишут авторы работы.
Речь идет о клатрате типа I на основе силикатов кальция и меди. Это первый подтвержденный случай обнаружения такой структуры в продуктах ядерного взрыва.
Условия, при которых возникает «невозможная» структура
Во время взрыва одновременно возникли крайне редкие физические условия:
- температура выше 1500 °C
- давление 5–8 гигапаскалей (в 10 тысяч раз выше атмосферного давления у поверхности Земли)
- резкое последующее охлаждение
Такой быстрый переход от экстремального нагрева к мгновенному «замораживанию» структуры позволил атомам зафиксироваться в нестандартной конфигурации.
Таким образом материал оказался мгновенно «законсервирован» в момент экстремального состояния вещества.
Тринитит уже изучался ранее: в нем находили редкие квазикристаллы — структуры с необычным атомным порядком, не соответствующим классической кристаллографии.
Теперь к этим находкам добавился клатрат, найденный в красной разновидности тринитита, богатой медью и другими металлами. Рентгеновский анализ показал, что внутри него атомы кремния выстраиваются в каркас, образующий своеобразные «ячейки», а внутри этих ячеек зафиксированы атомы кальция, меди и железа.
Независимые структуры в одном материале
Особенность работы в том, что клатрат и ранее обнаруженный квазикристалл в том же образце не связаны между собой. Несмотря на схожие условия формирования, они возникли независимо.
Моделирование показало, что прямое преобразование одной структуры в другую маловероятно из-за высокой концентрации меди.
Значение открытия
Исследование показывает, что экстремальные природные и техногенные события могут создавать материалы, которые невозможно воспроизвести стандартными лабораторными методами.
«Эти результаты исключают простую структурную интерпретацию квазикристалла “Тринити” и подчеркивают уникальность кремнийбогатых фаз, формирующихся в экстремальных условиях», — отмечают авторы.
По мнению ученых, подобные находки помогают не только реконструировать последствия ядерных испытаний, но и анализировать другие высокоэнергетические процессы, включая удары метеоритов и молнии.