Мы не всегда замечаем, когда мир меняется. Но 16 июля 1945 года в 5:29 утра в Нью-Мексико произошло нечто, что навсегда изменило ход истории. В этот день состоялось испытание «Тринити»: армия США взорвала плутониевую бомбу, известную как «Гаджет». Это был первый в мире ядерный взрыв. И даже спустя более восьмидесяти лет ученые продолжают находить его последствия.
Недавно исследователи обнаружили в минерале, который образовался в результате этого взрыва, кристалл, невозможный для существования на Земле в обычных условиях.
Группа исследователей под руководством геолога Луки Бинди из Флорентийского университета в Италии обнаружила, что ядерные взрывы создают экстремальные условия, которые приводят к образованию твердотельных фаз, невозможных для традиционного синтеза.
Ученые описали новый клатрат типа I силиката кальция и меди, который сформировался во время ядерного испытания «Тринити» в 1945 году. Это первый кристаллографически подтвержденный клатрат среди продуктов ядерного взрыва.
Взрыв был невероятно мощным. Выделенная энергия равнялась 21 килотонне тротила. Это расплавило 30-метровую испытательную башню и уничтожило медную инфраструктуру, включая кабели и приборы для регистрации взрыва.
Огненный шар расплавил башню и медь, смешав их с асфальтом и песчаной пустыней. Эта смесь поднялась в виде грибовидного облака, превратившись в стекловидное вещество, которое позже назвали тринититом.
Именно в этом материале ученые заметили необычные структуры. В 2021 году Бинди и его команда обнаружили квазикристалл необычной красной формы тринитита. В нем был металл из башни, кабелей и записывающих приборов. И теперь этот вариант материала преподнес новый сюрприз.
Рядом с квазикристаллом исследователи нашли клатрат — кристаллическую структуру с атомами, расположенными в виде клеточной решетки. Эта решетка способна захватывать другие атомы внутри себя.
Кристалл — это термин для описания расположения атомов в материалах. Большинство кристаллов формируются в стабильных условиях. Неорганические клатраты, напротив, образуются при очень специфических обстоятельствах и редко встречаются в природе.
Во время взрыва на атомной бомбе «Тринити» были созданы такие условия. Взрыв сопровождался сильным ударом, температурой выше 1500°C (около 2730°F) и давлением от 5 до 8 ГПа, которое затем резко снизилось.
Быстрое изменение и последующее охлаждение позволили атомам в тринитите образовать необычные структуры. Эти конфигурации атомов не могли бы возникнуть при обычных условиях.
Этот материал — застывший во времени миг, запечатлевший минералогический отпечаток кратковременных температурных и барометрических изменений, вызванных детонацией. Он стал настоящей находкой для ученых.
Исследования красного тринитита уже выявили необычные фазы. Во время одного из таких анализов был обнаружен клатрат.
С помощью рентгеновской дифракции ученые изучили образец красного тринитита. В нем они нашли каплю, богатую медью.
Дальнейшие исследования показали необычную атомную структуру — кубический клатрат 1-го типа. В нем «клетки» из атомов кремния содержат отдельные атомы кальция, а также следы меди и железа.
Это первый клатрат, найденный в продуктах ядерного взрыва. Но самое удивительное началось дальше. Те же условия, что способствуют образованию клатратов, приводят и к появлению квазикристаллов. Поскольку клатрат и квазикристалл имеют схожий состав, Бинди и коллеги предположили, что эти структуры могут быть связаны.
Они провели математическое моделирование, чтобы выяснить, мог ли квазикристалл возникнуть из клатрата. Результаты показали, что такой путь возможен, но в данном случае концентрация меди была слишком высокой.
Это означает, что в одном образце независимо друг от друга образовались две разные кристаллические фазы из одних и тех же материалов при одинаковых экстремальных условиях.
«Эти результаты опровергают простую структурную интерпретацию квазикристалла "Тринити", основанную на клатратах, и подчеркивают уникальность богатых кремнием фаз, которые возникают в экстремальных условиях», — пишут ученые.
Подобные исследования помогут ученым лучше понять последствия ядерных испытаний и создать новые криминалистические инструменты для анализа мест взрывов.
В более широком смысле, отмечают исследователи, «эта работа демонстрирует, как редкие высокоэнергетические события — ядерные взрывы, молнии и высокоскоростные столкновения — служат естественными лабораториями для получения неожиданных кристаллических веществ, а также для проверки и ограничения структурных моделей, которые невозможно создать традиционными методами».
Федор Шорыгин, перводчик
Результаты опубликованы в журнале «Proceedings of the National Academy of Sciences»