Bomba atomowa odparowała stal, beton i szkło. Z tej mieszaniny powstał uporządkowany stop ukryty później w piasku.
Beton, stal, szkło i ziemia nie zniknęły bez śladu, gdy nad Hiroszimą rozbłysła atomowa kula ognia. Część miasta została odparowana, wymieszana i zamknięta w mikroskopijnych kulkach, które spadły później na ziemię. W jednej z nich badacze znaleźli stop o strukturze, jakiej wcześniej nie opisano ani w naturze, ani w laboratorium.
Maleńka kulka zawierała kawałek odparowanego miasta
Dokładnie 6 sierpnia 1945 r. bomba Little Boy eksplodowała około 600 m nad Hiroszimą. W centrum wybuchu temperatura przekroczyła 7 tys. st. C. Materiały znajdujące się poniżej nie tylko płonęły i topiły się. Część betonu, szkła, metali, gleby i miejskiej infrastruktury przeszła w gaz oraz plazmę.
Wznosząca się kula ognia wciągnęła tę mieszaninę wysoko nad zniszczone miasto. Gdy zaczęła stygnąć, odparowane materiały skraplały się w niewielkie, zaokrąglone drobiny. Niektóre miały średnicę poniżej 1 mm, inne przypominały kilka połączonych ze sobą szklanych kulek.
Naukowcy nazywają je hiroshimitami. Nie jest to nazwa oficjalnego minerału, ale określenie materiału powstałego podczas eksplozji nad Hiroszimą. Jego skład zależy od tego, co akurat zostało porwane, odparowane i wymieszane w konkretnym fragmencie atomowej chmury.
Jedna drobina mogła zawierać głównie stopione składniki betonu. Inna zachowywała żelazo, chrom i nikiel pochodzące ze stali. Trafiały się też ślady aluminium, gumy, szkła, marmuru i innych materiałów używanych w mieście.
Każda kulka była więc osobnym, trwającym ułamki sekund eksperymentem. Składniki spotykały się przypadkowo, a później stygły tak szybko, iż atomy nie zawsze układały się w struktury typowe dla zwykłych skał i stopów.
W piasku było zaskakująco dużo śladów wybuchu
Pierwsze nietypowe drobiny zauważono jeszcze w 2015 r. podczas analizowania piasku zebranego na półwyspie Motoujina, w rejonie zatoki Hiroszima. Badacze początkowo interesowali się szczątkami organizmów morskich. Zamiast samych muszli i naturalnych minerałów zobaczyli jednak gładkie, szkliste kule przypominające materiał wyrzucany podczas uderzeń meteorytów.
Późniejsze pobieranie próbek pokazało, iż nie była to pojedyncza ciekawostka. Nietypowe cząstki stanowiły od 0,6 do 2,5 proc. ziaren w badanym piasku. W 1 kg materiału znajdowano od 12,6 do 23,3 g drobin związanych z eksplozją.
Zebrano ich około 10 tys. Sama ilość sugerowała, iż nie mogły pochodzić z niewielkiego pożaru, lokalnego procesu przemysłowego ani przypadkowego zanieczyszczenia. Ich skład odpowiadał materiałom powszechnym w Hiroszimie przed bombardowaniem, a struktura świadczyła o nagłym rozgrzaniu do temperatur przekraczających 1800 st. C.
Wcześniejsze analizy potwierdziły, iż był to opad po wybuchu atomowym. Nowy zespół wrócił do tych próbek z jeszcze dokładniejszymi narzędziami, szukając czegoś więcej niż zwykłe zeszklenie. Badacze przeanalizowali 34 hirosh i mity. Najpierw oglądali ich przekroje pod mikroskopem i mierzyli skład chemiczny, a później wybrali mikroskopijne fragmenty nadające się do badań rentgenowskich.
Nieznany stop ma zaledwie kilka mikrometrów
Opisany teraz w Science Advances materiał to maleńkie ziarno ukryte wewnątrz większej, szklistej kulki. Ma zaledwie kilka mikrometrów, czyli rozmiar porównywalny z komórkami ludzkiej krwi.
W jego skład wchodzą przede wszystkim żelazo, chrom, nikiel, mangan, molibden, krzem i aluminium. W zwykłych warunkach tak skomplikowana mieszanina prawdopodobnie podzieliłaby się podczas chłodzenia na kilka prostszych faz. Poszczególne pierwiastki utworzyłyby własne związki albo zostałyby nierównomiernie rozmieszczone.
Tymczasem materiał z Hiroszimy zachował złożoną, ale bardzo uporządkowaną strukturę sześcienną. Atomy wielu różnych pierwiastków zostały rozmieszczone w jednej sieci krystalicznej, zamiast rozdzielić się na prostsze składniki.
Do ustalenia tej struktury wykorzystano dyfrakcję rentgenowską. Polega ona na skierowaniu promieniowania rentgenowskiego na kryształ i zbadaniu sposobu, w jaki fale odbijają się od kolejnych warstw atomów. Powstały wzór pozwala odtworzyć rozmieszczenie atomów podobnie jak cień zdradza kształt przedmiotu, choć w tym przypadku obliczenia są nieporównywalnie bardziej skomplikowane.
Wyniku nie udało się dopasować do znanych struktur. Nie oznacza to odkrycia nowego pierwiastka ani magicznej substancji o natychmiastowym zastosowaniu. To nieznany wcześniej stop wieloskładnikowy, czyli materiał zbudowany z wielu pierwiastków obecnych w istotnych ilościach. Jego wyjątkowość tkwi nie tylko w składzie, ale także w sposobie ułożenia atomów.
Chaos wybuchu stworzył zaskakujący porządek
To trochę taki porządek w środku chaosu. Struktura, która nie miała prawa tam powstać, powstała właśnie tam – w jednym z najbardziej chaotycznych środowisk stworzonych przez człowieka. W normalnej hucie skład stopu, temperaturę i szybkość chłodzenia dokładnie się kontroluje. Metalurg chce wiedzieć, co trafiło do pieca, jak długo materiał pozostawał ciekły i w jakich warunkach zastygał. Nad Hiroszimą nie istniał żaden podobny porządek.
Kula ognia porwała materiały o zupełnie różnych temperaturach topnienia i składach. Stal mieszała się ze szkłem, betonem, aluminium i pyłem. Powstające krople przemieszczały się w rozgrzanym gazie, zderzały ze sobą, łączyły i rozpadały. Następnie temperatura spadała gwałtownie.
Właśnie szybkie chłodzenie mogło uratować nową strukturę. Atomy zostały zamrożone w nietypowym ustawieniu, zanim zdążyły przejść do stabilniejszych i prostszych konfiguracji. Taki materiał określa się jako produkt warunków dalekich od równowagi termodynamicznej.
Gdy mieszanina stygnie powoli, jej składniki mają czas, by się uporządkować zgodnie z najbardziej stabilnym układem. Gdy chłodzenie następuje niemal natychmiast, materiał może zachować strukturę, która w spokojniejszych warunkach gwałtownie by zniknęła. Wybuch nie tylko więc zniszczył istniejące materiały. Przez kilka sekund otworzył drogę do kombinacji atomów, których zwykłe procesy przemysłowe dotąd nie stworzyły.
Trinity pozostawiła inne kryształy
Ten sam zespół badał wcześniej trynityt, czyli zeszklony materiał powstały podczas pierwszego testu broni atomowej w Nowym Meksyku. Jak pisaliśmy w tekście: Niezwykłe kryształy z pierwszej bomby atomowej. Uczeni zaglądają do wnętrza, w trynitycie znaleziono m.in. niezwykły klatrat. Jego atomy układają się w coś przypominającego klatkę, wewnątrz której może zostać zamknięty inny atom.
W materiale po teście Trinity odkryto również kwazikryształ. To struktura, która ma uporządkowany układ atomów, ale nie powtarza się regularnie tak jak klasyczny kryształ. Jak pisaliśmy przy wcześniejszym odkryciu kwazikryształu z Trinity, przez długi czas sądzono, iż taki sposób uporządkowania materii nie powinien być możliwy.
Nowy stop z Hiroszimy nie jest kwazikryształem. Ma regularną strukturę sześcienną. Oba odkrycia łączy jednak sposób powstania: ekstremalne rozgrzanie mieszaniny różnych materiałów i późniejsze błyskawiczne chłodzenie.
Istnieje też inna zasadnicza różnica. Trinity była eksplozją przeprowadzoną blisko powierzchni pustyni, dlatego trynityt zawiera głównie stopiony piasek oraz materiały pochodzące z wieży, przewodów i aparatury testowej.
Bomba nad Hiroszimą wybuchła wysoko nad gęsto zabudowanym miastem. Powstające drobiny mogły wchłonąć znacznie bardziej zróżnicowaną mieszaninę. W środku atomowej chmury znalazły się materiały budowlane, miejska infrastruktura, ziemia i przedmioty codziennego użytku. Hiroshimity są przez to bardziej niejednorodne. Każda drobina może przechowywać inną część miasta.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
