В ходе первого в мире испытания ядерной бомбы был создан "невозможный" квазикристалл

В 5:29 утра 16 июля 1945 года в штате Нью-Мексико произошло значимое историческое событие. Рассветное спокойствие было разорвано, когда армия США взорвала плутониевое имплозионное устройство, известное как "Гаджет", - первое в мире испытание ядерной бомбы, известное как испытание "Троицы". Этот момент навсегда изменит ход войны.

Выброс энергии, эквивалентный 21 килотонне тротила, испарил 30-метровую испытательную башню (98 футов) и километры медных проводов, соединявших ее с записывающим оборудованием. В результате огненный шар сплавил башню и медь с асфальтом и песком пустыни внизу в зеленое стекло - новый минерал под названием тринитит.

Спустя десятилетия ученые обнаружили секрет, скрытый в куске этого тринитита - редкую форму материи, известную как квазикристалл, который раньше считался невозможным.

"Квазикристаллы образуются в экстремальных условиях, которые редко существуют на Земле", - объяснил в прошлом году геофизик Терри Уоллес из Лос-Аламосской национальной лаборатории.

"Для их образования требуется травмирующее событие с экстремальным ударом, температурой и давлением. Обычно мы не видим этого, за исключением таких драматических событий, как ядерный взрыв".

Большинство кристаллов, от скромной поваренной соли до самых прочных алмазов, подчиняются одному и тому же правилу: их атомы расположены в решетчатой структуре, которая повторяется в трехмерном пространстве. Квазикристаллы нарушают это правило - структура, в которой расположены их атомы, не повторяется.

Когда эта концепция впервые появилась в научном мире в 1984 году, считалось, что это невозможно: кристаллы были либо упорядоченными, либо неупорядоченными, без промежуточного звена. Затем их действительно обнаружили, как созданные в лабораторных условиях, так и в дикой природе - глубоко внутри метеоритов, выкованных термодинамическим шоком в результате событий, подобных удару со сверхвысокой скоростью.

Зная, что для образования квазикристаллов необходимы экстремальные условия, группа ученых во главе с геологом Лукой Бинди из Флорентийского университета в Италии решила повнимательнее присмотреться к тринититу.

Но не на зеленый материал. Хотя они и редко встречаются, мы видели достаточно квазикристаллов, чтобы понять, что они обычно включают в себя металлы, поэтому команда отправилась на поиски гораздо более редкой формы минерала - красного тринитита, получившего свой оттенок благодаря включенным в него испаренным медным проводам.

Используя такие методы, как сканирующая электронная микроскопия и рентгеновская дифракция, они проанализировали шесть небольших образцов красного тринитита. Наконец, в одном из образцов им удалось обнаружить крошечное, 20-гранное зерно из кремния, меди, кальция и железа с пятикратной вращательной симметрией, невозможной в обычных кристаллах - "непреднамеренное следствие" потепления.

"Этот квазикристалл великолепен по своей сложности - но никто пока не может сказать, почему он образовался именно таким образом", - объяснил Уоллес в 2021 году, когда было опубликовано исследование команды.

"Но когда-нибудь ученый или инженер разберется в этом, и чешуя будет снята с наших глаз, и у нас будет термодинамическое объяснение его создания. Тогда, я надеюсь, мы сможем использовать эти знания для лучшего понимания ядерных взрывов и, в конечном счете, получить более полное представление о том, что представляет собой ядерное испытание".

Это открытие представляет собой самый древний из известных антропогенных квазикристаллов, и оно предполагает, что могут существовать и другие естественные пути образования квазикристаллов. Например, фульгуриты из расплавленного песка, образовавшиеся в результате ударов молнии, или материал из мест падения метеоритов могут быть источником квазикристаллов в природе.

Исследование также может помочь нам лучше понять незаконные ядерные испытания, что в конечном итоге поможет сдержать распространение ядерного оружия, говорят исследователи. Изучение минералов, выкованных на других ядерных полигонах, может обнаружить больше квазикристаллов, термодинамические свойства которых могут стать инструментом для ядерной криминалистики.

"Понимание ядерного оружия других стран требует от нас четкого понимания их программ ядерных испытаний", - сказал Уоллес.

"Обычно мы анализируем радиоактивные обломки и газы, чтобы понять, как было создано оружие или какие материалы оно содержало, но эти сигнатуры распадаются. Квазикристалл, образовавшийся на месте ядерного взрыва, потенциально может сообщить нам новые виды информации - и они будут существовать вечно".

Исследование было опубликовано в журнале PNAS.