Стекло атомного века: внутри тринитита найдены уникальные кристаллы-клетки, не встречающиеся в природе

Тёмным июльским утром 1945 года американские учёные и военные подорвали первую в мире атомную бомбу в отдалённом районе Нью-Мексико. Взрыв высвободил энергию, эквивалентную 25 000 тонн тротила, полностью испарив башню с бомбой и превратив песок пустыни в радиусе 300 метров в стекло.

Позже учёные назвали это бледно-зелёное с красными вкраплениями слаборадиоактивное стекло «тринититом» — по названию места испытания «Тринити». Теперь, более 80 лет спустя, исследователи обнаружили, что некоторые образцы красного тринитита содержат уникальные кристаллы, не встречающиеся больше нигде в природе. Они подробно описали это открытие в исследовании, опубликованном 11 мая в журнале PNAS.

Толчком к исследованию послужил другой минерал: необычный квазикристалл, ранее идентифицированный в образцах красного тринитита. В отличие от большинства квазикристаллов, состоящих в основном из алюминия, этот квазикристалл богат кремнием. Его существование наводило на мысль, что в стекле Тринити могут скрываться и другие странные кристаллы.

«Мы хотели глубже изучить эти продукты экстремального формирования», — рассказал Live Science по электронной почте Лука Бинди, минералог из Флорентийского университета в Италии и первый автор нового исследования.

История в кристалле

Бинди и его команда использовали электронный микрозонд и рентгеновскую дифракцию для изучения редкого варианта красного тринитита цвета «бычьей крови». Яркий малиновый цвет этого образца появился благодаря остаткам разрушенной испытательной башни и окружающего металлического оборудования. Капли металла из этих конструкций попали внутрь расплавленного кремниевого стекла, когда оно сплавлялось во время взрыва, изменив его оттенок с травянисто-зелёного на алый.

В этом образце исследователи обнаружили никогда ранее не виданный клатратный кристалл. Клатраты — это тип кристаллической структуры, в которой один элемент образует «клетку», захватывающую внутри другие атомы. В данном случае атомы кремния заключали медь и кальций внутри соединённых 12- и 14-гранных кристаллических решёток. Такое расположение редко встречается в природе, особенно для неорганических соединений, отмечает команда.

Это первый случай, когда клатратные кристаллы были обнаружены как побочный продукт ядерного взрыва. Во время взрыва в Тринити температура превысила 1500 °C, а давление кратковременно поднялось до 8 гигапаскалей — сравнимо с давлением глубоко под земной корой. Такие интенсивные условия заставили атомы принять конфигурации, которые они обычно не могут принимать.

Команда также исследовала возможность того, что новый клатрат мог быть предшественником ранее описанных квазикристаллов тринитита. Математический анализ показал, что это маловероятно. Но изучение этой взаимосвязи помогает пополнить наши знания о верхних пределах минералообразования, далеко за пределами того, что можно воспроизвести в лаборатории.

«Экстремальные события, такие как ядерные взрывы, удары молний или импакты, могут порождать новые минеральные фазы и структуры, которые расширяют наше понимание того, как материя организуется в экстремальных условиях», — сказал Бинди.

Открытие клатратных кристаллов в тринитите — это не просто курьёз для минералогической коллекции. Оно имеет значение сразу для нескольких областей науки — от материаловедения до планетологии.

Что делает это открытие уникальным?

1. Природа клеток. Клатратные структуры известны науке, но чаще всего они встречаются в органической химии (например, клатраты газовых гидратов — метан в водяной «клетке» на дне океана) или в сложных биогенных минералах. Обнаружить неорганический клатрат с кремниевыми стенками и включениями металлов в чисто «рукотворном» материале — это сенсация. Природа не создаёт таких кристаллов, потому что для этого нужны одновременно высокие температуры, запредельное давление и специфический химический состав — идеальный «шторм», который был достигнут только в эпицентре ядерного взрыва.

2. Физика экстремальных состояний. Тринитит действует как машина времени, застывшая в доли секунды. Изучая эти кристаллы, учёные могут реконструировать, что именно происходило в плазменном шаре взрыва. Обычно такие состояния (давление в 8 ГПа, температура 1500°C) мы можем смоделировать только с помощью сложных экспериментов на алмазных наковальнях или мощных лазеров. А здесь природа (в лице человека) уже провела эксперимент почти 80 лет назад. Понимание того, какие кристаллы образуются при таких условиях, помогает, например, прогнозировать результаты ядерных испытаний у других стран (или под землёй) и разрабатывать новые сверхпрочные материалы.

3. Астробиология и планетология. Процессы, создавшие тринитит — ударная волна, плавление породы, смешивание металлов с силикатами, быстрое охлаждение — ежедневно происходят в космосе. Любое падение астероида на поверхность планеты или спутника создаёт импактные стёкла, очень похожие на тринитит. Теперь, зная, какие кристаллы надо искать в земных импактных кратерах (например, в кратере Барринджера в Аризоне), учёные могут целенаправленно искать следы аналогичных экстремальных процессов на Луне, Марсе или Меркурии. Клатраты могут служить индикаторами былых катастроф.

Не только наука, но и предупреждение

Стоит помнить, что тринитит — это не просто красивый и редкий минерал. Это слаборадиоактивное вещество, продукт первых шагов человечества в эпоху атома. Сегодня сбор тринитита на месте испытаний запрещён (официально его можно найти только в музеях и частных коллекциях, собранных до запрета). Он служит мрачным напоминанием о силе, которую мы высвободили.

Ирония в том, что клатратные кристаллы, возможно, существуют и в других местах. Например, в стекле, образовавшемся при падении Тунгусского метеорита (1908 год), или в оплавленных породах на месте испытаний в Семипалатинске и на атолле Бикини. Но исследовать их сложнее — либо из-за удалённости, либо из-за гораздо более высокого уровня радиации.

Что дальше? Лука Бинди и его команда планируют продолжить поиски. Они подозревают, что в тринитите могут быть скрыты и другие — возможно, ещё более экзотические — структуры, которые не вписываются в классическую кристаллографию. Каждый новый образец «окровавленного» стекла под электронным микроскопом может раскрыть ещё один секрет того самого утра, когда человечество перешло порог и создало камень, которого нет в природе. Но, в отличие от алмазов или сапфиров, этот камень — напоминание не о красоте, а о силе, которую мы ещё только учимся понимать.