Тринітит – матеріал, якого не повинно існувати

Вісімдесят років тому перший ядерний вибух ненавмисне створив речовини, що порушують закони кристалографії. Сьогодні вчені досі знаходять у тринітиті нові структури і кожна з них переписує наше розуміння того, як влаштована матерія. О 05:29:45 ранку 16 липня 1945 року пустеля Нью-Мексико спалахнула світлом, яскравішим за десяток сонць. Вогняна куля діаметром понад кілометр піднялася над полігоном Трініті, нагріваючи навколишнє повітря до температур, недосяжних у будь-якій земній лабораторії. Нагадаю, що потужність вибуху становила 21 кілотонну. При цьому вивільнилась енергія, що становила 88 ТДж. Температура в епіцентрі досягала більше 1500°C. За частки секунди, поки фізики і військові спостерігали за народженням атомної ери, природа тихо проводила власний, абсолютно несподіваний експеримент.

Пісок плавився. Метал кабелів і конструкцій вежі змішувався з кремнеземом. Маси речовин, що ніколи не зустрілися б за звичайних умов, зливалися в один розплав і тут же, майже миттєво, застигали. Так народився тринітит: зеленкувата склоподібна речовина, яку вчені десятиліттями вивчають з дедалі більшим здивуванням.

ЗМІСТ СТАТТІ:

Камінь із датою народження

Тринітит – унікальний об’єкт в історії науки. На відміну від більшості природних мінералів, вік яких доводиться визначати радіометричними методами, цей матеріал має абсолютно точну дату народження: 5 годин 29 хвилин 45 секунд ранку 16 липня 1945 року. Ця точність безцінна для дослідників, бо вони знають не лише що вивчають, а й коли саме і за яких умов утворився зразок.

Також читайте: Хантавірус: вірус із сараю, який убив людей посеред океану

Більшість тринітиту – зелений, майже прозорий матеріал, що є наслідком термічного склування пустельного піску. Проте зустрічається значно рідкісніша різновидність – червоний тринітит. Він утворюється виключно там, де вибухова хвиля захопила і переплавила велику кількість міді. Вона була з кабелів, вимірювальних приладів та конструкції самої підривної вежі. Саме в цих червонуватих фрагментах, в крихітних металевих краплинах діаметром не більше десяти мікрометрів, і ховаються найнеймовірніші знахідки.

“Такі події, як ядерні вибухи, удари блискавки або падіння метеоритів, виконують роль справжніх природних лабораторій. Вони дозволяють нам спостерігати форми матерії, які ми не можемо легко відтворити” – каже геолог Лука Бінді з Флорентійського університету.

Також цікаво: Джон Тернус: Інженер, якого Apple чекала чверть століття

Квазікристал: матерія, що порушує правила

Першою із надзвичайних знахідок стала речовина, яка в принципі не могла існувати за класичними уявленнями кристалографії. Йдеться про квазікристал – структуру, атомне розташування в якій не є суворо періодичним, але й не є хаотичним. Квазікристали демонструють симетрії, заборонені для звичайних кристалів: наприклад, ікосаедричну симетрію п’ятого порядку, яку неможливо “вмостити” у простір без проміжків.

Міжнародна дослідницька група під керівництвом геолога Луки Бінді виявила у червоному тринітиті ікосаедричний квазікристал складу Si₆₁Cu₃₀Ca₇Fe₂. Ця сполука раніше ніколи не спостерігалася ні в природі, ні в лабораторних умовах. Квазікристал виник у мідній краплині, де температура сягала щонайменше 1500°C, а тиск – десятків тисяч атмосфер. Умови, звичні хіба що для надр планет або зон космічних зіткнень.

Показово, що подібні квазікристали вже були виявлені раніше – у метеориті Хатирка, що впав на Камчатці. Таким чином, ядерний вибух відтворив фізичні умови космічного удару: коротке, але надзвичайно інтенсивне вивільнення енергії, достатнє для синтезу матеріалів, недосяжних жодним іншим шляхом.

Також цікаво:

Клатрат: клітка, що захоплює атоми

Майже через вісімдесят років після вибуху та через кілька років після відкриття квазікристалу та сама дослідницька група повідомила про нову знахідку: перший в історії клатрат, що утворився в результаті ядерного вибуху. Відкриття опубліковано у виданні Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Клатрат – це кристалічна структура особливого типу. Її атомна решітка утворює замкнені “клітини”, всередині яких виявляються захоплені сторонні атоми або молекули. Порівняння з кліткою точніше, ніж може здатися, бо “в’язень” дійсно замкнений, але при цьому визначає ключові фізичні властивості всієї споруди – від теплопровідності до електропровідності.

Виявлений у червоному тринітиті клатрат має склад Si₈₅Ca₁₂Cu₂Fe₁ і відноситься до структурного типу I, де атом кальцію займає центр кремнієвої клітини. Це перший подібний матеріал, зафіксований у продуктах будь-якого ядерного вибуху, і перша природна сполука з подібною структурою, відома науці.

“Червоний тринітит – це матеріал Франкенштейна: пісок, сталь, мідь, алюміній та залишки ізоляції, що за частку секунди розплавилися і змішалися, а потім блискавично застигли” – дізнаємось ми з матеріалів дослідницької групи.

Також цікаво: Що відбувається з мозком астронавтів у космосі?

Мідь як несподіваний алхімік

У обох відкриттях – і квазікристала, і клатрата – вирішальну роль зіграла мідь. Це не випадковість. Мідні кабелі, що з’єднували вимірювальну апаратуру, і мідні компоненти підривної вежі були захоплені вогняною кулею і розпорошені в навколишньому середовищі. Потрапляючи у розплав кремнеземного піску разом із залізом, кальцієм та іншими елементами, мідь радикально змінювала хімічний склад системи.

Саме таке “забруднення” розплаву, яке є не характерним для будь-якого природного вулканічного або метеоритного процесу, і створило умови для синтезу екзотичних фаз. Металеві краплини червоного тринітиту виявилися справжнім каталогом незвичайних структур: швидке плавлення, хімічне змішування несумісних у звичайних умовах матеріалів, і ще швидше охолодження. Все це разом породило речовини, яких природа за “стандартних” умов не створює.

Чому це важливо: від екзотики до технологій

Відкриті матеріали мають не лише пізнавальну, а й потенційно практичну цінність. Квазікристали вже знаходять застосування в матеріалах із надзвичайно низьким коефіцієнтом тертя, у спеціальних покриттях та оптоелектроніці. Їхні незвичайні симетрії породжують властивості, недосяжні для звичайних сплавів.

Клатрати ще більш перспективні з точки зору прикладної фізики. Їхня здатність “захоплювати” атоми й молекули робить їх кандидатами для термоелектричних матеріалів. Пристроїв, що перетворюють тепло безпосередньо на електрику. Крім того, клатрати вивчаються як матеріали для зберігання водню і розробки нових напівпровідників.

Зрозуміло, що виробляти подібні речовини за допомогою ядерних вибухів ніхто не збирається. Проте самé знання про те, що такі структури можуть існувати, дає хіміками і матеріалознавцям орієнтири. Якщо вони утворилися за таких умов, можна спробувати відтворити їх іншими шляхами – надвисоким тиском, лазерними імпульсами, плазмовим синтезом.

Також цікаво: Квантові мережі замість класичного інтернету: Що на нас чекає?

Trinity як археологічна капсула часу

Що вражає найбільше – так це те, що через вісімдесят років після вибуху дослідники продовжують знаходити у Trinity нові структури. Це нагадує розкопки стародавнього міста, в якому кожні кілька років відкривається нова схована камера з артефактами, про існування яких ніхто не здогадувався.

Trinity була подією, що назавжди змінила людську історію – у політичному, військовому та моральному вимірах. Але одночасно це був один із найекстремальніших фізичних “експериментів”, будь-коли проведених на нашій планеті. Лише зараз, із сучасними інструментами аналізу – електронною мікроскопією, рентгенівською дифракцією, синхротронним випромінюванням – ми починаємо повністю осягнути масштаб того, що відбулося у ті частки секунди.

Наука нерідко знаходить знання там, де їх не шукали. Перший ядерний вибух знищив усе живе в радіусі багатьох кілометрів, але водночас створив матерію, яку людство ніколи раніше не бачило. Навіть найруйнівніші події залишають після себе сліди, що допомагають нам краще зрозуміти Всесвіт. Тринітит – мовчазне й парадоксальне свідчення цього.

Читайте також:

Теги
Вибране

Більше від автора

Підписатися

0 Comments

Найновіше

НайстарішіНайбільше голосів

Інші статті

Крізь ядерний вогонь: Тринітит – матеріал, якого не повинно існувати