Восемьдесят лет назад первый ядерный взрыв нечаянно создал вещества, нарушающие законы кристаллографии. Сегодня ученые до сих пор находят в тринити новые структуры и каждая из них переписывает наше понимание того, как устроена материя. В 05:29:45 утра 16 июля 1945 года пустыня Нью-Мексико вспыхнула светом, ярче десятка солнц. Огненный шар диаметром более километра поднялся над полигоном Тринити, нагревая окружающий воздух до температур, недостижимых в любой земной лаборатории. Напомню, что мощность взрыва составляла 21 килотонну. При этом высвободилась энергия, составлявшая 88 ТДж. Температура в эпицентре достигала более 1500°C. За доли секунды, пока физики и военные наблюдали за рождением атомной эры, природа тихо проводила собственный, совершенно неожиданный эксперимент.
Песок плавился. Металл кабелей и конструкций башни смешивался с кремнеземом. Массы веществ, никогда не встретившиеся бы при обычных условиях, сливались в один расплав и тут же, почти мгновенно, застывали. Так родился тринитит: зеленоватое стекловидное вещество, которое ученые десятилетиями изучают со все большим удивлением.
СОДЕРЖАНИЕ СТАТЬИ:
Камень с датой рождения
Тринитит — уникальный объект в истории науки. В отличие от большинства природных минералов, возраст которых приходится определять радиометрическими методами, этот материал имеет абсолютно точную дату рождения: 5 часов 29 минут 45 секунд утра 16 июля 1945 года. Эта точность бесценна для исследователей, потому что они знают не только что изучают, но и когда именно и при каких условиях образовался образец.
Также читайте: Хантавирус: вирус из сарая, который убил людей посреди океана
Большинство тринитита — зеленый, почти прозрачный материал, что является следствием термического остекловывания пустынного песка. Однако встречается значительно более редкая разновидность — красный тринитит. Он образуется исключительно там, где взрывная волна захватила и переплавила большое количество меди. Она была из кабелей, измерительных приборов и конструкции самой подрывной башни. Именно в этих красноватых фрагментах, в крошечных металлических капельках диаметром не более десяти микрометров, и скрываются самые невероятные находки.
«Такие события, как ядерные взрывы, удары молнии или падение метеоритов, выполняют роль настоящих природных лабораторий. Они позволяют нам наблюдать формы материи, которые мы не можем легко воспроизвести» — говорит геолог Лука Бинди из Флорентийского университета.
Также интересно: Что такое ANEEL и почему торий может изменить атомную энергетику
Квазикристалл: материя, нарушающая правила
Первой из необычных находок стало вещество, которое в принципе не могло существовать по классическим представлениям кристаллографии. Речь идет о квазикристалле — структуре, атомное расположение в которой не является строго периодическим, но и не является хаотичным. Квазикристаллы демонстрируют симметрии, запрещенные для обычных кристаллов: например, икосаэдрическую симметрию пятого порядка, которую невозможно «вмостить» в пространство без промежутков.
Международная исследовательская группа под руководством геолога Луки Бинди обнаружила в красном тринитите икосаэдрический квазикристалл состава Si₆₁Cu₃₀Ca₇Fe₂. Это соединение ранее никогда не наблюдалось ни в природе, ни в лабораторных условиях. Квазикристалл возник в медной капле, где температура достигала не менее 1500°C, а давление — десятков тысяч атмосфер. Условия, привычные разве что для недр планет или зон космических столкновений.
Показательно, что подобные квазикристаллы уже были обнаружены ранее — в метеорите Хатырка, упавшем на Камчатке. Таким образом, ядерный взрыв воспроизвел физические условия космического удара: короткое, но чрезвычайно интенсивное высвобождение энергии, достаточное для синтеза материалов, недостижимых никаким другим путем.
Также интересно: Скандал с Notepad++ для Mac: Суть конфликта подробно
Клатрат: клетка, захватывающая атомы
Почти через восемьдесят лет после взрыва и через несколько лет после открытия квазикристалла та же исследовательская группа сообщила о новой находке: первый в истории клатрат, образовавшийся в результате ядерного взрыва. Открытие опубликовано в издании Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Клатрат — это кристаллическая структура особого типа. Ее атомная решетка образует замкнутые «клетки», внутри которых оказываются захвачены посторонние атомы или молекулы. Сравнение с клеткой точнее, чем может показаться, ибо «узник» действительно замкнут, но при этом определяет ключевые физические свойства всего сооружения — от теплопроводности до электропроводности.
Обнаруженный в красном тринитите клатрат имеет состав Si₈₅Ca₁₂Cu₂Fe₁ и относится к структурному типу I, где атом кальция занимает центр кремниевой клетки. Это первый подобный материал, зафиксированный в продуктах любого ядерного взрыва, и первое природное соединение с подобной структурой, известное науке.
«Красный тринитит — это материал Франкенштейна: песок, сталь, медь, алюминий и остатки изоляции, которые за долю секунды расплавились и смешались, а затем молниеносно застыли» — узнаем мы из материалов исследовательской группы.
Также интересно: Конец эпохи «кожи и костей»: 9 сфер, где роботы станут лучше людей уже завтра
Медь как неожиданный алхимик
В обоих открытиях — и квазикристалла, и клатрата — решающую роль сыграла медь. Это не случайность. Медные кабели, соединявшие измерительную аппаратуру, и медные компоненты подрывной башни были захвачены огненным шаром и распылены в окружающей среде. Попадая в расплав кремнеземного песка вместе с железом, кальцием и другими элементами, медь радикально изменяла химический состав системы.
Именно такое «загрязнение» расплава, не характерное для любого природного вулканического или метеоритного процесса, и создало условия для синтеза экзотических фаз. Металлические капли красного тринитита оказались настоящим каталогом необычных структур: быстрое плавление, химическое смешение несовместимых в обычных условиях материалов, и еще более быстрое охлаждение. Все это вместе породило вещества, которых природа при «стандартных» условиях не создает.
Почему это важно: от экзотики до технологий
Открытые материалы имеют не только познавательную, но и потенциально практическую ценность. Квазикристаллы уже находят применение в материалах с чрезвычайно низким коэффициентом трения, в специальных покрытиях и оптоэлектронике. Их необычные симметрии порождают свойства, недостижимые для обычных сплавов.
Клатраты еще более перспективны с точки зрения прикладной физики. Их способность «захватывать» атомы и молекулы делает их кандидатами для термоэлектрических материалов. Устройств, преобразующих тепло непосредственно в электричество. Кроме того, клатраты изучаются как материалы для хранения водорода и разработки новых полупроводников.
Понятно, что производить подобные вещества с помощью ядерных взрывов никто не собирается. Однако само знание о том, что такие структуры могут существовать, дает химикам и материаловедам ориентиры. Если они образовались в таких условиях, можно попробовать воссоздать их другими путями — сверхвысоким давлением, лазерными импульсами, плазменным синтезом.
Также интересно: Все о компьютерах в космосе: Слабость как преимущество
Trinity как археологическая капсула времени
Что поражает больше всего — так это то, что через восемьдесят лет после взрыва исследователи продолжают находить в Trinity новые структуры. Это напоминает раскопки древнего города, в котором каждые несколько лет открывается новая скрытая камера с артефактами, о существовании которых никто не догадывался.
Trinity была событием, навсегда изменившим человеческую историю — в политическом, военном и моральном измерениях. Но одновременно это был один из самых экстремальных физических «экспериментов», когда-либо проведенных на нашей планете. Только сейчас, с современными инструментами анализа — электронной микроскопией, рентгеновской дифракцией, синхротронным излучением — мы начинаем полностью постичь масштаб того, что произошло в те доли секунды.
Наука нередко находит знания там, где их не искали. Первый ядерный взрыв уничтожил все живое в радиусе многих километров, но в то же время создал материю, которую человечество никогда раньше не видело. Даже самые разрушительные события оставляют после себя следы, помогающие нам лучше понять Вселенную. Тринитит — молчаливое и парадоксальное свидетельство этого.
Читайте также: