Как ядерная бомба помогла в создании первого квазикристалла?
Ученые, занимающиеся поиском квазикристаллов — так называемых «невозможных» материалов с необычной, неповторяющейся структурой – обнаружили один из них в остатках первого в мире испытания ядерной бомбы. Ранее неизвестная структура, состоящая из железа, кремния, меди и кальция, вероятно, образовалась в результате слияния испаренного песка пустыни и медных кабелей. Аналогичные материалы были синтезированы в лаборатории и идентифицированы в метеоритах, но материал, описанный в новом исследовании, является первым примером квазикристалла с такой комбинацией элементов. Квазикристаллы содержат строительные блоки, состоящие из расположения атомов, которые — в отличие от обычных кристаллов — не повторяются в регулярном, похожем на кирпичную кладку узоре. В то время как обычные кристаллические структуры выглядят идентичными после перемещения (смещения в определенных направлениях), квазикристаллы имеют симметрию, которая когда-то считалась невозможной: например, некоторые имеют пятиугольную симметрию и поэтому выглядят одинаково, если их повернуть на одну пятую полного поворота.
Геологи обнаружили материал в песке, расплавленном взрывом ядерной бомбы. Ранее такие материалы можно было обнаружить только в метеоритах
Невозможная симметрия
Ученый-материаловед Даниэль Шехтман из Израильского технологического института впервые обнаружил такую невозможную симметрию в синтетическом сплаве в 1982 году. Он наблюдал пятиугольную симметрию при вращении в каждом из различных возможных направлений, что произошло бы, если бы его строительные блоки имели правильную форму с 20 гранями. Многие исследователи изначально ставили под сомнение выводы Шехтмана, потому что математически невозможно заполнить пространство используя икосаэдр. В конце концов Шехтман получил Нобелевскую премию по химии за это открытие в 2011 году.
Икосаэдр (от греч. «ico» — шесть и hedra — «грань») — это многогранник с 20 гранями. Существует бесконечно много непохожих икосаэдров, некоторые из которых имеют больше симметрий, другие меньше.
Примерно в это же время Пол Стейнхардт, физик-теоретик из Принстонского университета в Нью-Джерси, и его коллеги предположили возможность существования неповторяющихся трехмерных структур. Они имели ту же симметрию, что и икосаэдр, но были собраны из строительных блоков нескольких различных типов, которые никогда не повторялись. Физик-математик Роджер Пенроуз из Оксфордского университета и другие исследователи ранее обнаружили аналогичные закономерности в двух измерениях, которые называются мозайкой Пенроуза.
Икосаэдром называется выпуклый многогранник, грани которого – это равносторонние треугольники. Любая вершина икосаэдра соединяется пятью гранями.
Стейнхардт вспоминает 1982 год, когда он впервые увидел экспериментальные данные открытия Шехтмана и сравнил их со своими теоретическими предсказаниями:
«Я встал из-за стола, подошел и посмотрел на наш рисунок, и вы не могли заметить разницы», – говорит он. «Так что это был своего рода удивительный момент».
В последующие годы материаловеды синтезировали множество типов квазикристаллов, расширяя диапазон возможных запрещенных симметрий. А позже Стейнхардт и его коллеги обнаружили первый природный «икосаэдрит» в фрагментах метеорита, найденного в Восточной Сибири в России. Этот квазикристалл, вероятно, образовался в результате столкновения двух астероидов в ранней Солнечной системе.
Условия, при которых два квазикристалла образовались, вероятно, в результате столкновений между астероидами в космосе в начале Солнечной системы, сопоставимы с условиями, возникшими во время взрыва атомной бомбы.
Квазикристаллы — это упорядоченные вещества, обладающие дальним порядком, но не трансляционной симметрией.
Некоторые из квазикристаллов, изготовленных в лаборатории, также были получены путем разбивания материалов на высокой скорости, поэтому Стейнхардт и его команда задавались вопросом, могут ли ударные волны от ядерных взрывов также образовывать квазикристаллы.
Это интересно: Сколько стоят самые редкие метеориты и где их купить?
Ядерная бомба и квазикристаллы
После испытания «Тринити» — первого в истории взрыва ядерной бомбы, который произошел 16 июля 1945 года на полигоне Аламогордо в Нью-Мексико – исследователи обнаружили обширное поле зеленоватого стекловидного материала, образовавшегося в результате разжижения песка в пустыне. Они окрестили находку тринититом.
В тот июльский день 1945 года бомба создала кратер глубиной 1,4 метра и шириной 80 метров. Достигнутая температура превысила 1500°, а давление колебалось от 5 до 8 гигапаскалей. Там и родился тринитит – материал, состоящий в основном из бледно-зеленого кварца и полевого шпата. Нечто подобное произошло в Хиросиме, когда большая часть города превратилась в пляжный песок.
Интересуетесь наукой и хотите быть в курсе последних открытий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!
«Тринити» — первое в мире испытание технологии ядерного оружия. Взрыв бомбы был эквивалентен приблизительно 21 килотонне тротила.
Образованные в результате взрыва тринититы имели красноватые включения и по мнению исследователей были отличной почвой для поиска квазикристаллов. В течение десяти месяцев Стейнхарт и его команда нарезали кубиками все виды минералов, пока наконец не нашли крошечное зернышко – квазикристалл с такой же икосаэдрической симметрией, что и в первоначальном открытии Шехтмана.
Как и большинство известных квазикристаллов, структура тринитита, по-видимому, представляет собой сплав – металлоподобный материал, состоящий из положительных ионов в море электронов. Это необычно для кремния, который встречается как правило в горных породах в окисленной форме.
Несмотря на то, что сегодня ученые синтезируют в лабораториях много квазикристаллов, в природе они встречаются редко. Авторы научной работы полагают, что это может быть связано с образованием квазикристаллов, которое включает в себя «необычные комбинации элементов и их необычные расположения».
Сегодня найти тринитит можно в очень малых количествах в кратерах, оставленных после подземных взрывов ядерных бомб.
Читайте также: А вы знаете, какой была самая мощная бомба в мире?
Стейнхардт предполагает, что квазикристаллы могут быть использованы для своего рода ядерной криминалистики, поскольку они могут выявить места, где произошло скрытое ядерное испытание. Квазикристаллы могут также образовываться в других материалах, которые были получены в агрессивных условиях, таких как фульгурит – материал, полученный при ударе молнии в скалу, песок или другие отложения. В общем, сага о квазикристаллах будет продолжаться.
