Niezwykłe kryształy z pierwszej bomby atomowej. Uczeni zaglądają do wnętrza

Trynityt – materiał powstały na skutek eksplozji pierwszej na świecie bomby atomowej – po 80 latach badań wciąż skrywa niezwykłe tajemnice. Niektóre wyglądają jak mięso.

Gdy 16 lipca 1945 r. na pustyni w Nowym Meksyku rozbłysła kula ognia Trinity nikt nie myślał o tym, iż w ułamku sekundy powstaną tam struktury, których nie potrafiłby stworzyć żaden ówczesny naukowiec. Liczyła się moc – 21 kiloton, czyli około 88 teradżuli energii – oraz to, iż eksperyment zadziałał. Dopiero dekady później okazało się, iż eksplozja była nie tylko początkiem ery atomowej, ale też mimowolnym laboratorium materiałowym, w którym natura – a adekwatnie fizyka ekstremalna – przeprowadziła własne eksperymenty.

Dziś, 80 lat po wybuchu, badacze wciąż znajdują w trynitycie – zeszklonej mieszance piasku, metali i resztek infrastruktury testowej – rzeczy, które nie powinny istnieć. A jednak istnieją. I właśnie do tej listy dopisano kolejne pozycje.

Na przykład materiał, który łamie reguły krystalografii

Próbka trinitytu użyta w badaniu, w którym odkryto nowy klatrat

Naukowcy opisali w PNAS odkrycie nowego, antropogenicznego kształtu materii: dwudziestościenny kwazikryształ o składzie Si₆₁Cu₃₀Ca₇Fe₂, znaleziony w tzw. czerwonym trinitycie. To forma materii, która nie powinna powstać spontanicznie – jej struktura łamie klasyczne zasady periodyczności kryształów, a mimo to jest stabilna. Co więcej, ten konkretny kryształ ma dokładnie znaną datę urodzenia.

Badacze znaleźli go w metalicznej kropli o średnicy około 10 mikrometrów, bogatej w miedź – pozostałość po stopionych kablach i elementach wieży testowej. To właśnie te miedziane komponenty, wciągnięte do fireballa i zmieszane z piaskiem pustyni stworzyły środowisko o temperaturach przekraczających 1500°C i ciśnieniach liczonych w dziesiątkach tysięcy atmosfer. Warunki, które normalnie można uzyskać tylko w laboratoriach wysokociśnieniowych lub… podczas uderzenia meteorytu.

To zresztą nie przypadek – podobne kwazikryształy odkryto wcześniej w meteorycie Chatyrka. Trinity była więc dla materii tym, czym kosmiczna kolizja: krótkim, brutalnym eksperymentem.

Nowy kryształ po 80 latach: klatrat, który więzi atomy

Zespół badaczy opisał w PNAS pierwszy w historii klatrat powstały w wyniku eksplozji jądrowej. Klatrat to struktura krystaliczna przypominająca klatkę – jej sieć atomów tworzy przestrzenie, w których mogą zostać uwięzione inne atomy lub cząsteczki.

W czerwonym trynitycie znaleziono materiał o składzie Si₈₅Ca₁₂Cu₂Fe₁, o strukturze typu I, w której w centrum klatki siedzi atom wapnia. To pierwszy taki przypadek w produktach eksplozji nuklearnej.

Kula ognia z testu nuklearnego Trinity w Nowym Meksyku 16 lipca 1945 r.

Znów kluczowa okazała się obecność miedzi – to ona, pochodząca z kabli i aparatury pomiarowej, wzbogaciła lokalne środowisko chemiczne i umożliwiła powstanie egzotycznych faz. Badacze podkreślają, iż w metalicznych kroplach czerwonego trynitytu kryje się cały katalog nietypowych struktur, które powstały w wyniku gwałtownego stopienia, wymieszania i błyskawicznego schłodzenia materiałów o kompletnie różnych adekwatnościach.

Dlaczego czerwony trynityt jest tak wyjątkowy?

Większość trynitytu ma kolor zielony – to efekt zeszklenia pustynnego piasku. Czerwony trynityt jest znacznie rzadszy i powstaje tylko tam, gdzie eksplozja wciągnęła duże ilości miedzi. To właśnie w nim znajdują się metaliczne krople, w których powstają kwazikryształy i klatraty.

Można powiedzieć, iż czerwony trynityt to materiałowy Frankenstein: piasek, stal, miedź, aluminium, resztki izolacji, wszystko stopione i wymieszane w ułamku sekundy. A potem gwałtownie schłodzone, gdy kula ognia opadła i rozproszyła się.

To właśnie ta kombinacja – ekstremalne temperatury, ekstremalne ciśnienia i ekstremalnie szybkie chłodzenie – tworzy warunki, których nie da się łatwo odtworzyć w laboratorium. Dlatego Trinity pozostaje jednym z najciekawszych „eksperymentów materiałowych” w historii, choć oczywiście był to eksperyment o zupełnie innym celu.

Czy te odkrycia mają znaczenie praktyczne? Po co nam „mięsny” kryształ?

To pytanie, które zawsze warto zadać, zwłaszcza gdy mówimy o materiałach egzotycznych. Kwazikryształy od lat znajdują zastosowania w elektronice, optyce czy materiałach o niskim współczynniku tarcia. Jednak te z Trinity są przede wszystkim dowodem na to, iż ekstremalne procesy mogą tworzyć struktury, których nie przewidują modele teoretyczne.

Klatraty z kolei są interesujące z punktu widzenia fizyki ciała stałego – ich zdolność do „więzienia” atomów może mieć znaczenie np. w projektowaniu materiałów termoelektrycznych. Ale nie łudźmy się: nikt nie będzie odtwarzał warunków Trinity, by produkować takie kryształy na skalę przemysłową.

Znaczenie tych odkryć jest przede wszystkim poznawcze. Pokazują, iż materia wciąż potrafi nas zaskoczyć, a historia pierwszej bomby atomowej nie została jeszcze do końca opowiedziana.

Trinity jako archeologiczna kapsuła ekstremalnej fizyki

To fascynujące, iż po 80 latach wciąż znajdujemy w trynitycie nowe struktury. To trochę tak, jakby archeolodzy odkopywali starożytne miasto i co kilka lat trafiali na kolejną komnatę pełną artefaktów, o których nikt nie miał pojęcia.

Trinity była wydarzeniem, które zmieniło świat politycznie, militarnie i społecznie. Ale równocześnie była jednym z najbardziej ekstremalnych eksperymentów fizycznych, jakie kiedykolwiek przeprowadzono. I dopiero teraz zaczynamy rozumieć, jak bardzo ekstremalnym. choćby najbardziej destrukcyjne wydarzenia mogą zostawić po sobie ślady, które pomagają nam lepiej zrozumieć świat.