Прва нуклеарна експлозија створила „немогуће кристале“
20:54 21.05.2021 (Освежено: 03:13 26.08.2021)
© Depositphotos.com / Curraheeshutter
Пратите нас
У тестирању прве атомске бомбе у Аламогорду, у Новом Мексику, 16. јула 1945. године, створени су „немогући кристали“, тзв. квазикристали.
Према истраживању представљеном у часопису „Просидингс оф нешнал академи оф Сајенсиз“ (ПНАС), током Тринити теста, који је био део пројекта Менхетн, дошло је до спајања околног песка, материјала из експерименталног торња и бакарних водова у стакленасти материјал, минерал који је по догађају названа тринитит.
Јединствен кристал јединствене легуре и јединствене историје
Тим научника из више америчких универзитета и лабораторија недавно је у узорцима црвеног тринитита прикупљеног на месту експлозије открио присутност двадесетостраног квазикристала састављеног од силицијума, бакра, калцијума и железа – Si61Cu30Ca7Fe2. Овај квазикристал је најстарији познати квазикристал створен људским деловањем, први је с таквим саставом елемената, а посебно је занимљиво то што су тренутак и место његовог настанка, иако је настао случајно, добро познати.
Необична својства „немогућих кристала“
Квазипериодични кристали или, краће, квазикристали су чврсте материје чије се атомске структуре, за разлику од оних у уобичајеним кристалима, не понављају на регуларан начин сличан структурама изграђеним од цигли. Њихова је структура уређена, али није периодична, у смислу да се понавља на неки регуларан начин.
Апериодични мозаици, попут оних који се налазе у средњовековним исламским мозаицима палате Алхамбра у Шпанији, помогли су научницима да схвате како квазикристали изгледају на атомској равни. У тим мозаицима, као и у квазикристалима, обрасци су правилни – следе математичка правила – али се никада не понављају. Док обичне кристалне структуре изгледају идентично када се преведу, односно помакну по одређеним смеровима, квазикристали имају симетрије које су се некад сматрале немогућима.
Квазикристални узорак може континуирано испуњавати сав расположиви простор, али му недостаје преводна симетрија. Занимљива особина таквих узорака јест да се математичка константа, позната као грчко слово тау, или „златни рез“, у њима јавља поново и поново. На пример, неки квазикристали имају пентагоналну симетрију па изгледају исто ако се окрену око било које осе ротације за петину пуног круга, што је иначе својство двадесетостраног тела, икосаедра.
Особине им се битно разликују од особина класичних кристала. Упркос томе што су метали, слаби су проводници електричне струје и топлоте, а такође су и тврди и крти. Након открића њихових занимљивих својстава почели су се лабораторијски производити. Међу осталим, користе се у супериздржљивим врстама челика, за израду слојева у тигањима и у посебним уређајима за емисију светла.
Откриће „немогућих кристала“
Први их је открио израелски научник Даниел Шехтман, за шта је 1996. добио Нобелову награду. Он је још 1982. у вештачки створеној легури открио двадесетострани кристал у којем су атоми били спојени у узорак који је немогуће поновити. До тада су научници мислили да атомски обрасци у кристалима морају бити симетрични и да се морају понављати.
„То откриће је квазикристале представило као очаравајуће арапске мозаике репродуковане на нивоу атома који се никада не понављају“, појаснио је Одбор за доделу Нобелове награде у коментару своје одлуке о додели.
Отприлике у исто време теоријски физичар Пол Ј. Стеинхарт и његови сарадници почели су истраживати могућност постојања тродимензионалних структура које се не понављају. Оне су имале исту симетрију као икосаедар, тело с двадесет плоха, али су били састављени од неколико различитих врста градивних блокова који се никада нису поновили у истом узорку.
Математичар и физичар Роџер Пенроуз и неки други научници пре тога су открили аналогне узорке у две димензије, који се називају Пенроузовим поплочавањем.
Након открића 2011. научници су синтетизовали многе врсте квазикристала, проширујући распон могућих забрањених симетрија.
Стварање у екстремним условима – сударима астероида и великим експлозијама
Стајнхарт и његови колеге касније су пронашли први икосахедрит у природи у фрагментима метеорита пронађеног у источном Сибиру у Русији. Претпоставили су да је метеорит настао у судару двају астероида у раном Сунчевом систему. Неки од вештачки направљених квазикристала такође су створени сударањем материјала великим брзинама па су се Стајнхарт и његов тим питали да ли би ударни таласи нуклеарних експлозија такође могли стварати квазикристале.
У експериметнту Тринити 1945. на торњу високом 30-ак метара детонирана је плутонијумска нуклеарна бомба. Торањ је био опремљен сензорима и кабловима. У експлозији је створен стакласти материјал који су научници назвали тринитит. Квазикристали се често састоје од материјала који се уобичајено не комбинују заједно.
Попут већине познатих квазикристала, чини се да је и структура тринитита легура – материјал сличан металу који се састоји од позитивних јона у мору електрона. То је необично за силицијум, који се обично јавља у стенама у оксидираном облику: обртање оксидације захтевало би екстремне услове, попут јаке топлине и притиска ударног таласа, рекао је за „Нејчр Линколн холистер“, геонаучник с Принстона.
Откриће у тринититу
После 10 месеци помног истраживања црвеног тринитита Стајнхарт и његови сарадници открили су мало зрно квазикристала икосаедричне симетрије попут оне у Шехтмановом изворном открићу.
„Доминација силицијума у његовој структури прилично је посебна“, рекла је за „Нејчр“ Валериа Молинеро, теоријска хемичарка са Универзитета Јута у Солт Лејк Ситyју.
„Међутим, након што су у лабораторију синтетизовани многи квазикристали, оно што ми се чини заиста интригантним је то што су тако ретки у природи“, додала је.
Стајнхарт сматра да би разлог томе могла бити чињеница да стварање квазикристала укључује „необичне комбинације елемената и необичне распореде“ који у природи могу настати само у екстремним условима. Због таквих својстава они би се могли користити за својеврсну нуклеарну форензичку науку јер би могли откривати места на којима се догодило тајно нуклеарно испитивање.
Квазикристали се могу стварати и у другим материјалима који су настали у екстремним условима, попут фулгурита, који настаје приликом удара грома у стене, песак или друге седименте, преноси „Индекс“.
