На сайте Phys.org размещена интересная публикация о том, сто спустя 80 лет после ядерных испытаний «Тринити» ученые обнаружили новый кристалл, улавливающий молекулы и образовавшийся в результате взрыва.

Взрыв «Тринити»

В экстремальных условиях материя ведёт себя странно, и часто следы этого поведения сохраняются даже после возвращения к нормальным условиям. Ядерные испытания «Тринити» в 1945 году оставили после себя такие следы. Рассмотрим один уникальный пример того, что происходит, когда различные материалы нагреваются до температуры, превышающей 1500 °C (2730 °F), и подвергаются давлению, в десятки тысяч раз превышающему атмосферное. В своей статье в журнале «Proceedings of National Academy of Sciences», ученые описывает клатратное соединение (clathrate compound), ранее не встречавшееся среди продуктов ядерного взрыва.

Экстремальные условия, созданные взрывом «Тринити», за которыми последовал процесс быстрого охлаждения, сплавили частицы из испытательной башни полигона, его медной инфраструктуры и больших объёмов окружающего песка пустыни Нью-Мексико. В результате образовался стекловидный материал, получивший название тринититит. Большинство образцов тринитита имеют зеленый цвет, но существует и другая, более редкая форма, называемая «красным тринититом». Красный тринитит обогащен металлами, попавшими из испарившейся башни, коаксиальных кабелей и записывающих приборов в Тринити-колледже. В этой форме исследователи идентифицировали новое кристаллическое соединение.

Используя анализ образцов красного тринитита с помощью электронного микрозонда и рентгеновской дифракции, исследователи идентифицировали небольшое количество клатрата — кристаллического соединения, состоящего из решетки, которая захватывает или удерживает молекулы-гости внутри клеточных структур. Клатрат был обнаружен внутри богатой медью металлической капли в тринитите. Команда исследователей обнаружила, что материал состоит из кремния, кальция, меди и небольшого количества железа и имеет кубическую клатратную структуру типа I. В данном случае клеточная структура содержит атом кальция в центре.

Красный тринитит

В работе утверждается, что исследуемый клатрат типа I Ca–Cu–Si - это давно потерянный родственник квазикристалла. В более ранних работах также был обнаружен богатый кремнием икосаэдрический квазикристалл в богатой медью части красного тринитита, но его происхождение и точная структура оставались неясными. Чтобы лучше понять потенциальную взаимосвязь между квазикристаллом и клатратом, команда провела расчеты методом теории функционала плотности (DFT) для проверки стабильности моделей клатрата и квазикристалла и выяснения, остаются ли структуры клатрата жизнеспособными по мере приближения содержания меди к уровню в квазикристалле Тринити.

Ученые обнаружили четкие ограничения на структурную взаимосвязь между кристаллическими фазами квазикристалла и клатрата. В частности, структуры, образованные из клатратов, оказались стабильными только при низком содержании меди около 10–11%, а не при высоком содержании меди, наблюдаемом в квазикристалле «Тринити». Более высокое содержание меди, около 21%, привело к структурной нестабильности, потере клатратной топологии и аморфизации. Таким образом, несмотря на общее происхождение, различное содержание меди привело к образованию различных типов структур.

Эти редкие формы вещества являются метастабильными и образуются только в экстремальных, кратковременных условиях, что затрудняет их воспроизведение в лаборатории. Фактическая структура квазикристалла «Тринити» остается невыясненной из-за небольшого размера выборки, высокой стоимости и рисков, связанных с его обработкой, но это новое открытие помогло уточнить знания о его структуре.