Ученые обнаружили странную новую форму кристалла, выкованную при первом в мире испытании ядерного оружия. Это любопытное творение, известное как «квазикристалл», сделано из песка пустыни и медных проводов, расположенных в чрезвычайно редкой атомной структуре.
По своей природе кристаллы являются педантичными последователями правил: их атомы выстраиваются в высокоупорядоченные решетки, образуя узоры, повторяющиеся в трех измерениях. Квазикристаллы, однако, получили только половину меморандума - их атомная структура по-прежнему высоко упорядочена, но они не повторяются. Эти странные структуры были впервые обнаружены в 1980-х годах и с тех пор создаются в лаборатории в различных формах.
Долгое время считалось невозможным по своей природе, но в 2011 году ученые все же обнаружили квазикристаллы во фрагментах метеорита. Считалось, что они образовались в результате сильного столкновения двух астероидов, что заставило команду задуматься о том, какие другие энергетические процессы могут создавать квазикристаллы. И немногие события дают столько энергии, как испытания ядерной бомбы.
«Квазикристаллы образуются в экстремальных условиях, которые редко существуют на Земле», - говорит Терри Уоллес, соавтор исследования. «Им требуется травматический случай с сильным шоковым потрясением, температурой и давлением. Обычно мы этого не видим, за исключением чего-то столь драматичного, как ядерный взрыв».
Итак, для нового исследования исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории изучили материал, взятый с участка Тринити, места самого первого испытания ядерного оружия в 1945 году. И действительно, похоже, что люди случайно создавали квазикристаллы за десятилетия до того, как мы их обнаружили.
Вид с воздуха на землю через 28 часов после испытания Тринити 16 июля 1945 года. Ядерный взрыв создал недавно обнаруженный квазикристалл, который образовался в результате слияния окружающего песка, испытательной башни и медных линий электропередачи. Фото: Los Alamos National Laboratory.
Комбинированные рентгеновские карты полированной поверхности исследуемого образца, которые указывают на вариацию химического состава Ca-Si-Al. Фото: Luca Bindi and Paul J. Steinhardt.
Недавно идентифицированный квазикристалл был обнаружен в образце красного тринитита, взятого с самой поверхности земли, и состоит из кремния, меди, кальция и железа. Кремний поступает из песка пустыни, который быстро превратился в стекло во время взрыва, в то время как высокое содержание меди, по-видимому, произошло из-за проводов, используемых для проведения теста. Материал из самой испытательной башни мог также слиться с причудливым кристаллом.
С технической точки зрения, этот квазикристалл имеет 5-кратную вращательную симметрию, а это означает, что если он повернут на полные 360 градусов, он будет выглядеть одинаково в пяти ориентациях на своем пути. Куб, например, имеет четырехкратную симметрию вращения - он будет выглядеть одинаково с четырех углов во время одного полного вращения. Долгое время само определение кристалла ограничивало их 2-, 3-, 4- и 6-кратными вращательными симметриями.
Но это открытие - больше, чем просто научное любопытство, говорят ученые. Квазикристаллы можно было использовать для отслеживания несанкционированных ядерных испытаний и более точного воссоздания того, что произошло.
Изображение исследуемой металлической капельки, содержащей квазикристалл, полученное на сканирующем электронном микроскопе, с отмеченными Cu, Cu2S и Si61Cu30Ca7Fe2. Фото: Luca Bindi and Paul J. Steinhardt.
«Обычно мы анализируем радиоактивный мусор и газы, чтобы понять, как было построено оружие или какие материалы оно содержало, но эти сигнатуры распадаются», - говорит Уоллес. «Квазикристалл, который образуется на месте ядерного взрыва, потенциально может сообщить нам новые типы информации - и они будут существовать вечно».
Исследование было опубликовано в журнале PNAS. Команда описывает открытие в видео ниже.
Источник: New Atlas / Los Alamos National Laboratory via Nature
