Первый в мире ядерный взрыв выковал «невозможный» кристалл

Фото из открытых источников

Нам не всегда удаётся точно определить момент, когда мир меняется. Но когда 16 июля 1945 года в 5:29 утра в Нью-Мексико вспыхнул рассвет, это, без сомнения, стало поворотным моментом в истории человечества.

Это было испытание «Тринити» армии США: детонация плутониевого имплозионного устройства, известного как «Гаджет» — первое в мире испытание ядерной бомбы. И спустя более 80 лет ученые до сих пор обнаруживают изменения, которые оно вызвало.

Теперь же ученые обнаружили в минерале, образовавшемся в результате первого в мире преднамеренного ядерного взрыва, кристалл, который при более обычных условиях не смог бы существовать на Земле. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Экстремальные, кратковременные условия, создаваемые ядерными взрывами, могут приводить к образованию твердотельных фаз, недоступных для традиционного синтеза», — пишет группа исследователей во главе с геологом Лукой Бинди из Флорентийского университета в Италии. «Мы сообщаем об открытии ранее неизвестного клатрата типа I силиката кальция и меди, образовавшегося во время ядерного испытания «Тринити» в 1945 году; это первый кристаллографически подтвержденный клатрат, идентифицированный среди продуктов ядерного взрыва».

Сам взрыв был настолько драматичным, насколько это вообще возможно в такой разрушительный момент.

Выделенная энергия была эквивалентна 21 килотонне тротила. Она испарила 30-метровую (98-футовую) испытательную башню и окружающую медную инфраструктуру, включая кабели и приборы, используемые для регистрации взрыва.

Образовавшийся огненный шар сплавил башню и медь с асфальтом и пустынным песком, которые поднялись в грибовидное облако, превратив смесь в стекловидное, невиданное ранее вещество, позже названное тринититом.

Именно в этом материале ученые обнаружили некоторые странные структуры. В 2021 году Бинди и его коллеги идентифицировали неожиданный квазикристалл в редкой красной форме тринитита, содержащий металл из башни, кабелей и записывающих приборов… и теперь этот вариант материала преподнес еще один сюрприз.

Рядом с квазикристаллом исследователи обнаружили клатрат — кристаллическую структуру, состоящую из атомов, расположенных в виде клеточной решетки, способной захватывать другие атомы внутри.

Кристалл — это термин, используемый для описания расположения атомов внутри определенных материалов, и большинство кристаллов образуются в стабильных условиях. Неорганические клатраты особенны тем, что для их образования требуются очень специфические условия, и они редко встречаются в природе.

Некоторые из подобных условий ненадолго были соблюдены во время взрыва на АЭС «Тринити»: сильный ударный эффект, температура, превышающая 1500 градусов Цельсия, и давление от 5 до 8 гигапаскалей, которое затем резко упало.

Это быстрое изменение, за которым последовало быстрое охлаждение, позволило атомам в тринитите собраться в необычные конфигурации, а затем зафиксироваться на своих местах, создав структуры, которые в противном случае не смогли бы образоваться.

Этот материал, по сути, представляет собой застывший во времени момент, сохраняющий минералогический снимок кратковременных температурных и барометрических условий, возникших во время детонации, — настоящая находка для ученых.

Исследования красного тринитита уже выявили ряд необычных фаз, а клатрат был обнаружен в ходе одного из таких анализов.

С помощью рентгеновской дифракции исследователи изучили образец красного тринитита и обнаружили в нем каплю, богатую медью.

Дальнейшие исследования выявили необычную атомную конфигурацию – кубический клатрат типа 1, в котором «клетки» из атомов кремния содержат отдельные атомы кальция, а также присутствуют следы меди и железа.

Однако вот тут начинается самое странное. Поскольку те же условия, которые способствуют образованию клатратов, также способствуют образованию квазикристаллов, а клатрат и квазикристалл имели схожий состав, Бинди и его коллеги предположили, что эти две структуры могут быть связаны.

Они провели математическое моделирование, чтобы определить, мог ли квазикристалл образоваться из клатрата, но результаты убедительно показали, что, хотя такой путь в целом возможен, в данном конкретном случае концентрация меди была слишком высока.

Это означает, что две совершенно разные кристаллические фазы, образованные из одних и тех же материалов в одних и тех же экстремальных условиях, возникли независимо друг от друга в одном и том же образце.

«Эти результаты исключают простую структурную интерпретацию квазикристалла «Тринити», основанную на клатратах, и подчеркивают особую природу богатых кремнием фаз, образующихся в экстремальных условиях», — пишут исследователи.

Подобные исследования могут помочь ученым лучше понять последствия ядерных испытаний и даже предложить новые криминалистические инструменты для изучения мест, где произошли такие взрывы.

В более широком смысле, отмечают исследователи, «эта работа подчеркивает, как редкие высокоэнергетические события — такие как ядерные взрывы, удары молнии и высокоскоростные столкновения — служат естественными лабораториями для получения неожиданных кристаллических веществ, а также для критической проверки и ограничения структурных моделей, недоступных для традиционного синтеза».