Первая атомная бомба создала материал, который не существует в природе. Учёные нашли его 81 год спустя
Почти 81 год назад в пустыне Нью-Мексико взорвалась первая атомная бомба. Испытание Trinity, проведённое в рамках Манхэттенского проекта, высвободило энергию примерно 25 килотонн тротила. После вспышки, огненного шара и грибовидного облака на земле остался странный стекловидный материал: песок расплавился, смешался с испарившимися проводами датчиков и застыл в новой форме. Учёные назвали этот материал тринититом.
Теперь тринитит снова дал исследователям повод вернуться к первому ядерному взрыву. Внутри одного из образцов нашли ранее неизвестный материал — клатрат. Так называют химическую структуру, похожую на решётку-клетку: одни атомы образуют каркас, а другие оказываются заперты внутри. Геолог Лука Бинди из Флорентийского университета, один из авторов новой работы, говорит, что учёные столкнулись с совершенно новым типом клатратного кристалла, который раньше не встречали ни в природе, ни среди продуктов ядерного взрыва.
Новая структура появилась из-за условий, которые почти невозможно спокойно воспроизвести в лаборатории. Во время взрыва Trinity песок попал в огненный шар, где температура превышала 1500 °C, а давление достигало нескольких гигапаскалей. Для сравнения: это в десятки тысяч раз выше обычного атмосферного давления, такого сжатия достаточно, чтобы превратить графит в алмаз. Вещество испарялось, смешивалось и остывало за считаные секунды. Атомы не успевали выстроиться в привычные устойчивые формы, поэтому появлялись редкие неравновесные материалы.
Клатрат нашли не во всём тринитите, а внутри металлической капли, богатой медью. Такая капля застыла в стекловидной массе после взрыва. Каркас нового кристалла сложен из атомов кремния и образует многогранные клетки: 12-гранные додекаэдры и 14-гранные тетракаидекаэдры. Внутри этих клеток находятся атомы кальция, а иногда также атомы меди и железа.
Геохимик Дж. Нельсон Эби из Массачусетского университета в Лоуэлле, который раньше сотрудничал с частью авторов работы, но не участвовал в этом исследовании, считает находку интересным пополнением семейства клатратов. По его словам, кратковременные экстремальные условия испытания Trinity могли породить метастабильные фазы, которые не возникают в обычных лабораторных экспериментах. Метастабильная фаза — это состояние вещества, которое не является самым устойчивым, но может сохраняться после быстрого охлаждения или резкого изменения условий.
Тринитит уже приносил похожие сюрпризы. В 2021 году исследователи нашли в нём квазикристалл — форму вещества, которую когда-то считали невозможной. У обычного кристалла атомы образуют повторяющийся узор, как плитка с одинаковым шагом. У квазикристалла порядок есть, но периодического повторения нет. Такая структура ломает привычное школьное представление о твёрдых телах: материал не хаотичен, но и не вписывается в стандартную кристаллическую решётку.
До находки в тринитите единственный известный природный квазикристалл нашли в фрагментах метеорита. Учёные считают, что он появился при огненном столкновении двух астероидов в ранней Солнечной системе. Это делает тринитит особенно интересным материалом: след первого ядерного испытания неожиданно оказался похож на природные архивы космических катастроф.
Квазикристалл из тринитита состоит из тех же четырёх элементов, что и новый клатрат: железа, кремния, меди и кальция. Исследователи предполагают, что обе структуры родились при одинаковых температурах и давлениях, но в разных химических условиях. Там, где меди было достаточно, сформировался квазикристалл. Там, где меди не хватало, возник клатрат.
Авторы работы пишут, что редкие высокоэнергетические события — ядерные взрывы, удары молний и столкновения на огромных скоростях — могут работать как природные лаборатории по созданию неожиданных кристаллических материалов.