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.

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.

«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.

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.