16 июля 1945 года в пустыне штата Нью-Мексико Соединённые Штаты провели первое в мире испытание ядерного оружия, известное как испытание «Тринити». Этот эксперимент стал переломным моментом в истории не только из-за его глубокого влияния на ведение войны, но и благодаря неожиданному научному открытию: созданию редкой формы материи, известной как квазикристаллы.
Спустя восемьдесят лет исследования тринитита — стекловидного материала, образовавшегося в результате слияния меди, материалов башни и пустынного песка во время взрыва — позволили по-новому взглянуть на экстремальные явления в атомной физике и формировании минералов. Недавнее исследование, опубликованное в «Proceedings of the National Academy of Sciences» (PNAS), выявило присутствие квазикристаллов в красном тринитите, что позволило по-новому взглянуть на последствия ядерных взрывов с высокой энергией.
Геофизик из Лос-Аламосской национальной лаборатории Терри Уоллес подчеркнул значимость этого открытия, отметив, что квазикристаллы образуются в экстремальных условиях, которые редко встречаются на Земле.
Понимание квазикристаллов: загадка природы и экстремальных сил
Квазикристаллы бросают вызов традиционному пониманию кристаллических структур. В типичных кристаллах атомы расположены в повторяющихся узорах, которые простираются по всему материалу. Однако квазикристаллы демонстрируют неповторяющиеся узоры, которые не подчиняются традиционным правилам симметрии, с расположением, которое не является периодическим, но всё же упорядоченным.
Эта характеристика долгое время считалась невозможной для естественного формирования, пока учёные не создали их в лабораторных условиях в 1984 году. С тех пор квазикристаллы были найдены в метеоритах, образованных под воздействием экстремальных давлений и температур во время высокоскоростных столкновений в космосе. Теперь испытание «Тринити» добавило ещё один увлекательный слой к изучению квазикристаллов, показав, что они также могут образовываться в условиях ядерного взрыва.
Как отмечает Уоллес: «Для их формирования требуется травматическое событие с экстремальным ударом, температурой и давлением. Мы обычно не наблюдаем такого, кроме как в чём-то столь же драматичном, как ядерный взрыв».
Тринитит и поиск ответов: почему квазикристаллы формируются таким образом?
Несмотря на ажиотаж, связанный с открытием квазикристаллов в тринитите, многие вопросы о том, как именно они формируются, остаются без ответа. Уоллес объясняет, что, хотя этот квазикристалл «великолепен по своей сложности», причины его формирования до сих пор остаются загадкой. «Никто пока не может сказать нам, почему он был сформирован таким образом», — заявил Уоллес в 2021 году, ссылаясь на результаты работы своей команды.
Хотя очевидно, что ядерные взрывы создают необходимые условия для образования квазикристаллов, понимание конкретных задействованных термодинамических процессов остаётся серьёзной научной задачей.
Роль квазикристаллов в ядерной криминалистике: новый рубеж
Помимо научного любопытства, квазикристаллы также имеют важное значение для ядерной криминалистики. Способность обнаруживать квазикристаллы в минералах, найденных на ядерных полигонах, может предложить учёным способ определить историю и характер этих взрывов, обеспечивая постоянный маркер ядерных испытаний.
Как объясняет Уоллес: «Понимание ядерного оружия других стран требует от нас чёткого понимания их программ ядерных испытаний». В то время как традиционные методы анализа ядерных испытаний основаны на обнаружении радиоактивных обломков и газов, эти сигнатуры со временем распадаются, что делает их менее надёжными для долгосрочных исследований.
Однако квазикристаллы, однажды сформировавшись, сохраняются неопределённо долго. Как объясняет Уоллес: «Квазикристалл, образовавшийся на месте ядерного взрыва, потенциально может предоставить нам новые типы информации — и они будут существовать вечно».
Это означает, что квазикристаллы могут служить ценным инструментом в области ядерной криминалистики, позволяя учёным изучать особенности ядерных испытаний спустя долгое время после того, как радиоактивные материалы распались. Анализируя термодинамические свойства квазикристаллов, сформированных на разных ядерных полигонах, исследователи могут получить более глубокое представление о материалах и методах, используемых в ядерном оружии, что потенциально может помочь предотвратить распространение ядерного оружия.