Первый ядерный взрыв оказался не только точкой невозврата для науки и армии, но и странным производителем материалов, которых Земля в обычном режиме не собирает.
Почти через 81 год после испытания Trinity исследователи снова взяли в руки тринитит, стекловидный след того самого взрыва, и нашли в нём ранее неизвестный клатратный кристалл. Звучит как артефакт из научной фантастики, но это настоящая минералогия с привкусом атомной эры.
Trinity провели в пустыне Нью-Мексико в рамках Манхэттенского проекта. Взрыв дал примерно 25 килотонн в тротиловом эквиваленте, а полигон на несколько мгновений превратился в дикую печь, химический реактор и геологический ускоритель сразу. Песок расплавился, смешался с испарившимися кабелями датчиков, металлическими частицами и прочими следами техники, а затем застыл в зелёное стекловидное вещество. Позже его назвали тринититом.
Теперь этот зелёный сувенир атомного века снова устроил учёным сюрприз. В одном из образцов нашли клатрат. Это кристаллическая конструкция, похожая на миниатюрную клетку, где одни атомы собирают каркас, а другие оказываются заперты внутри.
Геолог Лука Бинди из Флорентийского университета сообщил, что команда обнаружила новый тип клатратного кристалла. Раньше его не видели ни в природных образцах, ни в материалах после ядерных взрывов.
Рождение такого кристалла связано с условиями Trinity. Во время взрыва песок попал в огненный шар, где температура превышала 1500 °C, а давление доходило до нескольких гигапаскалей. Это уже не просто жарко и сильно сжато. Это режим, в котором вещество начинает вести себя как участник безумного научного шоу. Атомы испарялись, сталкивались, смешивались и охлаждались за секунды, не успевая перейти к привычным формам.
В обычной природе материалы любят время, порядок и спокойную сборку. Trinity дал им противоположное. Вещество резко нагрели, сжали, перемешали и почти сразу «захлопнули» быстрым охлаждением. Получился своеобразный баг реальности, только в хорошем для науки смысле. Материал не прошёл привычный путь и застыл в редких формах, которые исследователи теперь разбирают почти как техноархеологи.
Клатрат нашли не по всей массе тринитита, а внутри металлической капли, богатой медью. Эта капля застряла в стекловидном материале после взрыва. Каркас нового кристалла состоит из атомов кремния и формирует многогранные ячейки. Среди них есть 12-гранные додекаэдры и 14-гранные тетракаидекаэдры. Внутри этих камер находятся атомы кальция, а местами встречаются медь и железо.
Геохимик Дж. Нельсон Эби из Массачусетского университета в Лоуэлле, который раньше работал с частью авторов, но не участвовал в новой работе, назвал находку интересным пополнением семейства клатратов.
По его оценке, короткие экстремальные условия Trinity могли создать метастабильные фазы, которые не появляются в стандартных лабораторных опытах. Метастабильная фаза означает состояние вещества, не самое устойчивое, но способное сохраниться после резкого охлаждения.
Тринитит уже не один раз подбрасывал учёным странные находки. В 2021 году в нём обнаружили квазикристалл, форму вещества, которую долго считали невозможной. У обычного кристалла атомы выстраиваются в повторяющийся узор, словно плитка с одинаковым шагом. У квазикристалла порядок тоже есть, но без простого повторения. Он не хаос, но и не классическая кристаллическая схема.
До находки в тринитите единственный известный природный квазикристалл обнаружили во фрагментах метеорита. Исследователи считают, что он мог возникнуть при мощном столкновении 2-х астероидов в ранней Солнечной системе. Поэтому тринитит оказался почти космическим объектом, только сделанным человеком. След первого ядерного испытания внезапно стал похож на архив экстремальных процессов, где рядом стоят астероидные удары и атомный огненный шар.
Квазикристалл из тринитита состоит из тех же 4-х элементов, что и новый клатрат. Это железо, кремний, медь и кальций. Авторы предполагают, что обе структуры возникли при похожих температурах и давлениях, но в разных химических условиях. Там, где меди было больше, появился квазикристалл. Там, где меди было меньше, сформировался клатрат.
Исследователи считают, что редкие высокоэнергетические события могут работать как необычные фабрики новых кристаллических материалов. Ядерные взрывы, удары молний, столкновения тел на огромных скоростях дают веществу резкий скачок температуры, давления и скорости охлаждения.
После таких встрясок остаются структуры, которые обычная геология почти не создаёт.
Работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences USA. Через 81 год после Trinity тринитит всё ещё хранит сюрпризы, а первый атомный взрыв продолжает выглядеть не только как мрачный символ эпохи, но и как случайно запущенный эксперимент по созданию материалов из предельных условий.