29 мая 1945 года, 5:29 утра. Человечество вступило в опасную новую эру, когда первый в мире ядерный взрыв расцвёл над Новой Мексикой. Испытание, известное как «Тринити», испарило пустыню вокруг и заодно создало нечто невероятное. Учёные обнаружили, что ярость ядерного взрыва выковала «невозможный» кристалл. Исследователи утверждают, что это странное вещество не похоже ни на что другое на планете и является первым в своём роде, сформированным ядерным взрывом.
Во время испытания «Тринити» инженеры Манхэттенского проекта взорвали плутониевое имплозивное устройство, известное просто как «Устройство» (The Gadget). Высвобожденная энергия была эквивалентна 21 000 тонн тротила и мгновенно уничтожила 30-метровую испытательную вышку и медную инфраструктуру. Огненный шар захватил и сплавил вышку, измерительные приборы и пустынный песок, проливая дождём расплавленные капли совершенно нового минерала, известного как Тринитит.
Когда-то ценившийся как мрачный сувенир, сегодня учёные обнаружили, что этот странный минерал содержит кристаллические структуры, которые никогда не должны были сформироваться на Земле. В новой статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи изучили кристаллы, образовавшиеся внутри особенно редкой красной формы Тринитита, содержащей следы металла от вышки и оборудования.
Что такое клатрат?
Внутри куска красного Тринитита исследователи обнаружили тип кристаллической структуры, называемый клатратом. Он состоит из атомов кремния, расположенных в решётке, напоминающей клетку, каждый из которых удерживает внутри один атом кальция. Эти структуры очень особенные, потому что требуют чрезвычайно специфических условий для формирования и редко встречаются в природе.
Соавтор исследования профессор Майкл Уидом из Университета Карнеги-Меллона заявил Daily Mail: «Их энергетический уровень намного превышает то, что обычно возможно при естественных температурах и давлениях». Профессор Уидом добавляет, что «маловероятно, что их можно было бы сформировать даже в лаборатории».
Кристаллы обычно формируются в стабильных средах, например, крупные хлопьевидные кристаллы соли формируются в воде по мере её медленного испарения. Однако чрезвычайно быстрые ударные нагрузки иногда могут создавать очень необычные формы кристаллов, которые больше нигде не встречаются.
Ведущий автор доктор Лука Бинди из Флорентийского университета рассказал Daily Mail: «Клатрат, который мы обнаружили, сформировался в сильно неравновесной среде с экстремальными температурами, высокими давлениями, быстрым охлаждением и очень необычной химической смесью, богатой кремнием, медью и кальцием. На Земле такие условия исключительно редки, но они могут возникнуть в экстраординарных событиях, таких как ядерные взрывы, удары молний или падения метеоритов».
Как это произошло?
Температура, вероятно, превышала 1500°C, а давление достигало нескольких гигапаскалей, в то время как большие объёмы пустынного песка и меди от инфраструктуры вышки были испарены и перемешаны. Затем материал чрезвычайно быстро остыл, позволив кристаллам сформироваться в высоконеобычном расположении. Профессор Бинди говорит: «Ядерный взрыв, по сути, «заморозил» недоступное иначе атомное расположение до того, как оно успело преобразоваться в более стабильные фазы». То есть Тринитит — это, по сути, момент, застывший во времени, снимок кратковременных условий температуры и давления внутри взрыва. Именно эти уникальные характеристики делают необычные минералы такой сокровищницей для минералогов.
Значение открытия
Хотя это открытие более важно с фундаментальной научной точки зрения, оно может открыть дверь к более практическим изобретениям. Профессор Бинди объясняет, что клатраты представляют «огромный интерес» для учёных, потому что они демонстрируют необычные термические и электрические качества, включая сверхпроводимость и эффективное термоэлектрическое поведение. Обнаружение этого нового типа кристалла может помочь направить поиск более полезных материалов.
Профессор Бинди добавляет: «В более широком смысле, исследование показывает, что экстремальные среды могут генерировать новые структуры, которые традиционные методы синтеза могут упустить, потенциально открывая пути к совершенно новым классам функциональных материалов».
Что такое испытание «Тринити»? (Справка)
Мировой «ядерный век» начался 16 июля 1945 года в 5:30 утра, когда инженеры секретного Манхэттенского проекта взорвали плутониевое имплозивное устройство «Устройство». Дж. Роберт Оппенгеймер, харизматичный учёный из Лос-Аламосской лаборатории, назвал место взрыва «Тринити» (Троица). Бомба была поднята на 30-метровую вышку. Взрыв мощностью в 21 килотонну мгновенно испарил вышку и оборудование. Свидетели сообщали о вспышке, видимой за 200 миль. Позже военные заявили, что взорвался склад боеприпасов, и только после бомбардировки Хиросимы 6 августа официально признали истинную природу взрыва.
Открытие «невозможного» кристалла в Тринитите — это не просто курьёз на стыке минералогии и истории. Это прорыв в понимании того, как материя ведёт себя в экстремальных условиях, которые невозможно воссоздать в стационарной лаборатории. Учёные десятилетиями пытались синтезировать подобные клатратные структуры, сжимая кремний в алмазных наковальнях при температурах в тысячи градусов. И всё время получали либо аморфные фазы, либо стандартные кристаллические решётки, которые уже видели. А природа (при участии человека) взяла и сделала это за долю секунды, в хаосе ядерного огненного шара.
Почему этот клатрат столь необычен? Потому что его энергетический уровень (так называемая «энтальпия образования») находится в зоне, которая с точки зрения термодинамики считается «запретной». Обычно атомы стремятся к минимуму энергии — как шарик, скатывающийся на дно ямы. Но при экстремально быстром охлаждении (миллионы градусов в секунду) система «замерзает» в метастабильном состоянии — шарик застревает на склоне холма, не докатившись до дна. Это как если бы вы бросили яйцо на сковородку и оно застыло в виде сюрреалистической скульптуры, а не плоского блина. Только здесь атомы кремния, меди и кальция «застыли» в клетчатой архитектуре, которую в нормальных условиях разорвало бы в клочья силами межатомного отталкивания.
Красный Тринитит (в отличие от обычного зелёного, который обязан цветом примесям железа из песка) особенно ценен, потому что он содержит медь из измерительных проводов и арматуры, которые были на вышке. Медь сыграла роль катализатора, помогая атомам кремния выстроиться в необычную решётку. Без неё, возможно, никакого клатрата бы не получилось. Это открытие было сделано случайно: команда Бинди просвечивала образец рентгеновским микроанализом и увидела дифракционную картину, которая не соответствовала ни одному из 9000 известных минералов. Потребовались годы, чтобы смоделировать структуру на суперкомпьютерах и доказать, что это не артефакт, а реальная, пусть и чудовищно неустойчивая, фаза.
Практическое значение может быть колоссальным. Клатраты уже интересуют материаловедов как потенциальные сверхпроводники (способные проводить ток без потерь) или термоэлектрики (преобразующие тепло в электричество). Проблема в том, что существующие клатраты (например, на основе германия или кремния, с включениями натрия или бария) имеют низкую температуру перехода в сверхпроводящее состояние (ниже -270°C) и неэффективны. Новый тип клатрата, обнаруженный в Трините, содержит кальций, который меньше и активнее. Возможно, его свойства будут гораздо интереснее. Но чтобы проверить это, нужно научиться синтезировать его в лаборатории — а пока это никому не удалось.
Ирония судьбы: самый разрушительный инструмент, созданный человечеством, подарил нам не только смерть и радиацию, но и нечто прекрасное — застывшую архитектуру на атомном уровне, которую мы не можем воспроизвести мирными средствами. Кристалл из Тринитита — это напоминание о двойственной природе науки. В одно мгновение она способна как испепелить мир, так и открыть новые горизонты в понимании реальности. И пока учёные спорят о том, можно ли назвать клатрат «минералом» (поскольку он антропогенный), сам он лежит себе в музейной витрине, свидетельствуя о том, что даже в аду можно найти алмазы. Если, конечно, хорошо знать, где искать.
А для любителей научной фантастики это звучит как сюжет романа: «Оружие Судного дня создало вещество, которое спасёт человечество от энергетического кризиса». Но реальность, как обычно, сложнее. Копий Тринитита, пригодных для исследований, всего несколько килограммов (большая часть была захоронена или разлетелась по частным коллекциям). И каждый грамм слабо радиоактивен — плодотворная работа с ним требует свинцовых камер и осторожности. Так что «невозможный кристалл» пока остаётся лишь свидетельством нашей способности творить невозможное, не всегда осознавая последствия. И, быть может, в этом главный урок Тринити.
Ваш комментарий