Dodano: 18 maj 2021r.

Odkryto kwazikryształ utworzony podczas pierwszego testu bomby atomowej

Po pierwszym teście bomby atomowej w lipcu 1945 roku na poligonie w Nowym Meksyku naukowcy odkryli szklisty materiał, który później został nazwany trynitytem. Badając kawałki szklistej substancji uczeni znaleźli w nim rzadką formę materii zwaną kwazikryształem.

Odkryto kwazikryształ utworzony podczas pierwszego testu bomby atomowej

 

Naukowcy poszukujący kwazikryształów - materiałów o niezwykłych, niepowtarzalnych strukturach - zidentyfikowali jeden w trynitycie powstałym w momencie rozpoczęcia ery jądrowej, czyli podczas pierwszego testu bomby atomowej w lipcu 1945 roku. Test nosił kryptonim Trinity i to od niego wziął swoją nazwę szklisty materiał powstały w wyniku eksplozji. Nowo odkryty kwazikryształ z poligonu testowego w Nowym Meksyku jest najstarszym znanym tego typu materiałem. Wyniki badań ukazały się na łamach pisma „Proceedings of the National Academy of Sciences” (DOI: 10.1073/pnas.2101350118).

Kwazikryształy

Zwykłe kryształy, chociażby lodu czy soli kuchennej, mają piękne, regularne kształty. Związane jest to z ich budową. Atomy w strukturze kryształu ułożone są w sposób bardzo uporządkowany i tworzą powtarzające się w przestrzeni wzory. Większość takich struktur daje się wpisać w wielościany, którymi bez problemu - jak cegiełkami - można wypełnić przestrzeń - układając je po prostu jedne na drugich. I tak na przykład w soli kuchennej atomy chloru i sodu rozłożone są bardzo elegancko - w rogach i na ścianach sześcianu. Jest tam więc symetria translacyjna, która sprawia, że układ powtarza się w przestrzeni, jeśli odpowiednio się go przesunie. Wydawało się, że wszystkie kryształy mają taką piękną i zrozumiałą symetrię. Do czasu, kiedy Dan Shechtman odkrył kwazikryształy.

Ten izraelski naukowiec w latach 80. XX wieku schłodził stop glinu i manganu, a w obrazie dyfrakcyjnym ujrzał dziwną strukturę: była ona uporządkowana, ale nieokresowa: wyszedł mu układ, który miał obrotową symetrię 10-kątną. A przy takiej symetrii matematycznie niemożliwe jest uzyskanie struktury, która w sposób okresowy wypełni trój- albo dwuwymiarową przestrzeń.

Normalne kryształy są zbudowane z atomów zamkniętych w sieci, która powtarza się w regularny wzór. Kwazikryształy mają strukturę uporządkowaną jak normalny kryształ, ale nieokresową. Oznacza to, że kwazikryształy mogą mieć właściwości, które są niedostępne dla zwykłych kryształów.

Wielu badaczy początkowo zakwestionowało ustalenia Shechtmana. Taki sposób organizacji materii zupełnie nie mieścił się w głowach ówczesnych fizyków. Ale odkrycie Shechtmana opublikowano i z czasem uznano, a Shechtman ostatecznie zdobył w 2011 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za to odkrycie.

Mniej więcej w tym samym czasie, gdy Shechtman odkrywał kwazikryształy, fizyk teoretyczny Paul Steinhardt wraz ze współpracownikami zaczął teoretyzować nad możliwością istnienia niepowtarzalnych struktur 3D. Miały one taką samą symetrię, jak ta zaobserwowana przez Shetmana, ale zostały złożone z bloków konstrukcyjnych kilku różnych typów, które nigdy nie powtarzały się w tym samym wzorze. Inni badacze, w tym Roger Penrose odkryli wcześniej analogiczne wzorce w tzw. parkietażu Penrose`a.

Parkietaż Penrose`a to bardzo interesujący układ: dwa rodzaje rombów (jeden o kątach 72 i 108 stopni, a drugi o kątach 36 i 144 stopni) z wypustkami i wcięciami wystarczają by pokryć nimi płaszczyznę, ale nie można nimi tej płaszczyzny wypełnić w sposób okresowy. W odróżnieniu do okresowych parkietaży, którymi są np. szachownica czy układ plastra miodu.

Steinhardt wspomina moment w 1982 roku, kiedy po raz pierwszy zobaczył dane eksperymentalne z odkrycia Shechtmana i porównał je ze swoimi teoretycznymi przewidywaniami. - Wstałem z biurka, podszedłem i przyjrzałem się naszemu wzorowi i nie było widać różnicy. To był niesamowity moment – zaznaczył.

W kolejnych latach materiałoznawcy zsyntetyzowali kilka rodzajów kwazikryształów, poszerzając zakres tych „niemożliwych” symetrii. Steinhardt i jego współpracownicy odkryli później pierwszy naturalnie występujący kwazikryształ we fragmentach meteorytu znalezionego na Kamczatce we wschodniej Syberii. Ten kwazikryształ prawdopodobnie powstał w wyniku zderzenia dwóch asteroid we wczesnym Układzie Słonecznym. Niektóre z kwazikryształów wykonanych w laboratorium zostały również wyprodukowane przez zderzanie ze sobą materiałów z dużą prędkością, więc Steinhardt i jego koledzy zastanawiali się, czy fale uderzeniowe z wybuchów jądrowych mogą również tworzyć kwazikryształy.

Test Trinity

W następstwie detonacji pierwszej bomby atomowej 16 lipca 1945 r. na poligonie bombowym Alamogordo w Nowym Meksyku naukowcy odkryli rozległe pole zielonkawego, szklistego materiału, który nazwali trynitytem.

Bomba plutonowa została zdetonowana na szczycie 30-metrowej wieży, na której umieszczono czujniki i miedziane kable. Podczas detonacji wszystkie te materiały stopiły się ze sobą. W rezultacie część utworzonego trynitytu miała czerwonawe wtrącenia. To rzadsza odmiana. Większość tego materiału ma zielonkawe zabarwienie, ale czerwony trynityt zawiera miedź, pozostałości drutów. - To połączenie naturalnego materiału z miedzią z linii przesyłowych – przyznał Steinhardt.

Kwazikryształy często powstają z pierwiastków, które normalnie nie łączą się ze sobą, więc Steinhardt i jego współpracownicy uznali, że próbki czerwonego trynitytu będą dobrym miejscem do poszukiwania kwazikryształów. Kwazikryształy zwykle znajdują się w materiałach, które przeszły gwałtowną przemianę i zwykle zawierają metale. Trynityt czerwony spełniał oba te kryteria.

- Przez dziesięć miesięcy kroiliśmy pozyskaną próbkę, przyglądając się różnym minerałom. W końcu znaleźliśmy małe ziarenko – powiedział Steinhardt. W kawałeczku o średnicy zaledwie 10 mikrometrów - nieco dłuższym niż czerwona krwinka – naukowcy natrafili na kwazikryształ utworzony z krzemu, miedzi, wapnia i żelaza. Kwazikryształ o takim składzie był dla badaczy nowością.

- Dominacja krzemu w jego strukturze jest dość wyraźna. Jednak po zsyntetyzowaniu wielu kwazikryształów w laboratorium naprawdę intrygujące jest to, że są one tak rzadkie w naturze - powiedziała Valeria Molinero z University of Utah w Salt Lake City. Według Steinhardta może tak się dziać, ponieważ tworzenie się kwazikryształów wiąże się z „niezwykłymi połączeniami elementów i nietypowymi układami”.

 

Źródło: Science, fot. Luca Bindi, Paul J. Steinhardt