Удары молнии создают странную форму кристалла, редко встречающуюся в природе

Сильные удары электричества, ударившие по песчаной дюне в Небраске, оставили после себя форму кристалла, редко встречающуюся в природе. Внутри куска фульгурита — или «ископаемой молнии », — созданного мощным разрядом электричества, проникающим в песок и сплавляющим его, ученые обнаружили квазикристалл — такое строение материи, которое когда-то считалось невозможным.

Это открытие предполагает, что существуют ранее неизвестные пути образования квазикристаллов, что открывает новые возможности для их синтеза в лаборатории. Исследование ученых опубликовано в PNAS.

«Нынешнее исследование было разработано для изучения другого возможного природного механизма образования квазикристаллов: электрического разряда», — говорится в статье группы исследователей во главе с геологом Лукой Бинди из Флорентийского университета в Италии. «Обнаружение квазикристалла в фульгурите с редко наблюдаемой 12-кратной симметрией и составом, о котором ранее не сообщалось, указывает на то, что этот подход также может быть многообещающим в лаборатории».

Большинство кристаллических твердых тел в природе, от простой поваренной соли до самых прочных алмазов, следуют одной и той же схеме: их атомы располагаются в решетчатой структуре, которая повторяется в трехмерном пространстве.

Твердые тела, которые не имеют этих повторяющихся атомных структур — аморфные твердые тела, такие как стекло, — обычно представляют собой атомный беспорядок, беспорядок атомов, сваленных вместе без рифмы или причины.

Квазикристаллы нарушают правило — их атомы расположены по схеме, но эта схема не повторяется.

Когда в 1980-х впервые возникла идея квазикристаллов, эта концепция считалась невозможной. Твердые тела могут быть либо кристаллическими, либо аморфными, а не чем-то странным. Но затем ученые действительно нашли их, как в лабораторных условиях, так и в природе, глубоко внутри метеоритов .

С тех пор ученые определили, что квазикристаллы в природе могут образовываться только в экстремальных условиях, при невероятно высоких ударах, температуре и давлении.

Столкновение с высокоскоростным метеоритом - одна из таких настроек; на самом деле, долгое время это была единственная среда, в которой они были обнаружены в природе, и, таким образом, считалось, что это, возможно, единственное место, где они могли встречаться.

Затем Бинди и его коллега, физик Пол Стейнхардт из Принстонского университета, вместе со своей командой нашли квазикристалл, выкованный во время испытания ядерной бомбы в 1945 году . Хотя это и не совсем «естественные» условия, открытие предполагало, что могут быть и другие условия, в которых могут образовываться квазикристаллы.

Молния — одна из самых мощных сил в природе , поражает с огромной скоростью и может нагревать воздух, через который она проходит, до температуры, в 5 раз превышающей температуру поверхности Солнца.

И когда он ударяется о землю в нужном месте с достаточной силой, он может расплавить песок, оставив после себя фульгурит — «окаменелость» пути, который он прошел через землю.

Там есть все ингредиенты: удар, температура и давление. Итак, Бинди, Стейнхардт и их коллеги приступили к исследованию фульгуритов на предмет квазикристаллов.

Они получили образец фульгурита из района Сандхиллс в Небраске, извлеченного из места, близкого к упавшей линии электропередач, и подвергли его сканирующей электронной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии , чтобы определить его химический состав и кристаллическую структуру.

Образец состоял из расплавленного песка и следов расплавленного металла проводника от линии электропередач. В нем исследователи обнаружили додекаэдрический (двенадцатигранный) квазикристалл ранее неизвестного состава Mn 72,3 Si 15,6 Cr 9,7 Al 1,8 Ni 0,6 . 

Атомы в этом квазикристалле образовали структуру с 12-кратной симметрией, расположенную в квазикристаллическом порядке, невозможном в нормальных кристаллах.

Неясно, была ли молния или линия электропередачи ответственны за электричество, создавшее фульгурит; однако, основываясь на своем анализе, команда определила, что песок должен был быть нагрет как минимум до 1710 градусов по Цельсию (3110 градусов по Фаренгейту) для создания фульгурита.

Исследователи говорят, что это дает представление о том, как ученые могут создавать квазикристаллы в лаборатории. Квазикристаллы, найденные в метеорите, предполагали, что ударный синтез может быть одним из способов; молния предлагает новые возможности.

«Обнаружение двенадцатиугольного квазикристалла, образованного ударом молнии или обрывом линии электропередач, предполагает, что эксперименты с электрическим разрядом могут стать еще одним подходом, который можно добавить в наш арсенал методов синтеза», — пишут они в своей статье.

И это открытие указывает на то, что раньше могли упускать из виду пути формирования квазикристаллов — как на Земле, так и за ее пределами.

«Представленные здесь результаты вместе с содержанием микроэлементов, измеренным в природных квазикристаллах, открывают возможность того, что электрический разряд в ранней солнечной туманности мог сыграть ключевую роль, которая не только объясняет необходимые условия восстановления, но и способствует образованию квазикристаллов», - подытожили ученые.