Niezwykłe kryształy z pierwszej bomby atomowej. Uczeni zaglądają do wnętrza
Trynityt - materiał powstały na skutek eksplozji pierwszej na świecie bomby atomowej - po 80 latach badań wciąż skrywa niezwykłe tajemnice. Niektóre wyglądają jak mięso.
Gdy 16 lipca 1945 r. na pustyni w Nowym Meksyku rozbłysła kula ognia Trinity nikt nie myślał o tym, że w ułamku sekundy powstaną tam struktury, których nie potrafiłby stworzyć żaden ówczesny naukowiec. Liczyła się moc - 21 kiloton, czyli około 88 teradżuli energii - oraz to, że eksperyment zadziałał. Dopiero dekady później okazało się, że eksplozja była nie tylko początkiem ery atomowej, ale też mimowolnym laboratorium materiałowym, w którym natura - a właściwie fizyka ekstremalna - przeprowadziła własne eksperymenty.
Dziś, 80 lat po wybuchu, badacze wciąż znajdują w trynitycie - zeszklonej mieszance piasku, metali i resztek infrastruktury testowej - rzeczy, które nie powinny istnieć. A jednak istnieją. I właśnie do tej listy dopisano kolejne pozycje.
Czytaj też:
Na przykład materiał, który łamie reguły krystalografii
Naukowcy opisali w PNAS odkrycie nowego, antropogenicznego kształtu materii: dwudziestościenny kwazikryształ o składzie Si₆₁Cu₃₀Ca₇Fe₂, znaleziony w tzw. czerwonym trinitycie. To forma materii, która nie powinna powstać spontanicznie - jej struktura łamie klasyczne zasady periodyczności kryształów, a mimo to jest stabilna. Co więcej, ten konkretny kryształ ma dokładnie znaną datę urodzenia.
Badacze znaleźli go w metalicznej kropli o średnicy około 10 mikrometrów, bogatej w miedź - pozostałość po stopionych kablach i elementach wieży testowej. To właśnie te miedziane komponenty, wciągnięte do fireballa i zmieszane z piaskiem pustyni stworzyły środowisko o temperaturach przekraczających 1500°C i ciśnieniach liczonych w dziesiątkach tysięcy atmosfer. Warunki, które normalnie można uzyskać tylko w laboratoriach wysokociśnieniowych lub… podczas uderzenia meteorytu.
To zresztą nie przypadek - podobne kwazikryształy odkryto wcześniej w meteorycie Chatyrka. Trinity była więc dla materii tym, czym kosmiczna kolizja: krótkim, brutalnym eksperymentem.
Nowy kryształ po 80 latach: klatrat, który więzi atomy
Zespół badaczy opisał w PNAS pierwszy w historii klatrat powstały w wyniku eksplozji jądrowej. Klatrat to struktura krystaliczna przypominająca klatkę - jej sieć atomów tworzy przestrzenie, w których mogą zostać uwięzione inne atomy lub cząsteczki.
W czerwonym trynitycie znaleziono materiał o składzie Si₈₅Ca₁₂Cu₂Fe₁, o strukturze typu I, w której w centrum klatki siedzi atom wapnia. To pierwszy taki przypadek w produktach eksplozji nuklearnej.
Znów kluczowa okazała się obecność miedzi - to ona, pochodząca z kabli i aparatury pomiarowej, wzbogaciła lokalne środowisko chemiczne i umożliwiła powstanie egzotycznych faz. Badacze podkreślają, że w metalicznych kroplach czerwonego trynitytu kryje się cały katalog nietypowych struktur, które powstały w wyniku gwałtownego stopienia, wymieszania i błyskawicznego schłodzenia materiałów o kompletnie różnych właściwościach.
Dlaczego czerwony trynityt jest tak wyjątkowy?
Większość trynitytu ma kolor zielony - to efekt zeszklenia pustynnego piasku. Czerwony trynityt jest znacznie rzadszy i powstaje tylko tam, gdzie eksplozja wciągnęła duże ilości miedzi. To właśnie w nim znajdują się metaliczne krople, w których powstają kwazikryształy i klatraty.
Można powiedzieć, że czerwony trynityt to materiałowy Frankenstein: piasek, stal, miedź, aluminium, resztki izolacji, wszystko stopione i wymieszane w ułamku sekundy. A potem gwałtownie schłodzone, gdy kula ognia opadła i rozproszyła się.
To właśnie ta kombinacja - ekstremalne temperatury, ekstremalne ciśnienia i ekstremalnie szybkie chłodzenie - tworzy warunki, których nie da się łatwo odtworzyć w laboratorium. Dlatego Trinity pozostaje jednym z najciekawszych „eksperymentów materiałowych” w historii, choć oczywiście był to eksperyment o zupełnie innym celu.
Czy te odkrycia mają znaczenie praktyczne? Po co nam „mięsny” kryształ?
To pytanie, które zawsze warto zadać, zwłaszcza gdy mówimy o materiałach egzotycznych. Kwazikryształy od lat znajdują zastosowania w elektronice, optyce czy materiałach o niskim współczynniku tarcia. Jednak te z Trinity są przede wszystkim dowodem na to, że ekstremalne procesy mogą tworzyć struktury, których nie przewidują modele teoretyczne.
Klatraty z kolei są interesujące z punktu widzenia fizyki ciała stałego - ich zdolność do „więzienia” atomów może mieć znaczenie np. w projektowaniu materiałów termoelektrycznych. Ale nie łudźmy się: nikt nie będzie odtwarzał warunków Trinity, by produkować takie kryształy na skalę przemysłową.
Znaczenie tych odkryć jest przede wszystkim poznawcze. Pokazują, że materia wciąż potrafi nas zaskoczyć, a historia pierwszej bomby atomowej nie została jeszcze do końca opowiedziana.
Trinity jako archeologiczna kapsuła ekstremalnej fizyki
To fascynujące, że po 80 latach wciąż znajdujemy w trynitycie nowe struktury. To trochę tak, jakby archeolodzy odkopywali starożytne miasto i co kilka lat trafiali na kolejną komnatę pełną artefaktów, o których nikt nie miał pojęcia.
Trinity była wydarzeniem, które zmieniło świat politycznie, militarnie i społecznie. Ale równocześnie była jednym z najbardziej ekstremalnych eksperymentów fizycznych, jakie kiedykolwiek przeprowadzono. I dopiero teraz zaczynamy rozumieć, jak bardzo ekstremalnym. Nawet najbardziej destrukcyjne wydarzenia mogą zostawić po sobie ślady, które pomagają nam lepiej zrozumieć świat.
