На месте первого испытания атомной бомбы нашли новый квазикристалл

Геохимики обнаружили квазикристаллические структуры в тринитите — минерале, который образовался на полигоне Аламогордо во время первого испытания атомной бомбы в 1945 году. Найденное соединение состава Si₆₁Cu₃₀Ca₇Fe₂ со структурой икосаэдра — самый старый из известных квазикристаллов антропогенного происхождения, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences.

В отличие от решетки обычных кристаллов, упорядоченная структура квазикристаллов — не периодическая. Это связано с тем, что в этих материалах реализованы такие группы симметрии, которые просто не могут образовывать периодических трехмерных структур, то есть ее элементами нельзя «замостить» плоскость или объем. В частности, многие квазикристаллы имеют точечную симметрию икосаэдра, то есть содержат ось симметрии пятого порядка, которая невозможна в трехмерных кристаллах. Но при этом, как и в обычных кристаллах, в них есть упорядоченная структура, и точно так же для них характерна картина рентгеновской дифракции с выраженными максимумами. Подробнее о квазикристаллах вы можете прочитать в нашем тексте «Материалы, которых не ждали».

Для обычной земной химии образование квазикристаллических структур не характерно, поэтому их либо находят в метеоритах, либо искусственно синтезируют в специальных условиях, что довольно сложно из-за метастабильности этих фаз и разницы в составах между использующимся расплавом и конечным квазикристаллом.

Новую квазикристаллическую структуру обнаружили американские и итальянские ученые под руководством Луки Бинди (Luca Bindi) из Флорентийского университета и Пола Стейнхардта (Paul J. Steinhardt) из Принстонского университета. Оказалось, что квазикристаллы присутствуют в красном тринитите — минерале, который образовался в результате сплавления кварца, полевого шпата и других примесей на полигоне Аламогордо в Нью-Мексико во время первого в истории испытания атомной бомбы «Тринити» 17 июля 1945 года.

Красный тринитит — более редкая модификация минерала по сравнению с подробно описанным зеленым тринититом. Красную окраску ему придает оксид меди, а также в его состав входят те же силикатные стекла, что и в исходных минералах: силикаты, содержащие алюминий, кальций, калий и железо. Кроме того, до 5 процентов минерала составляют сферические включения металлических сплавов на основе свинца, железа и меди размером в десятки или сотни микрометров.

Эти же элементы образуют состав обнаруженного икосаэдрического квазикристалла: Si₆₁Cu₃₀Ca₇Fe₂. По данным рентгеноструктурного анализа, эта фаза имеет икосаэдрическую структуру и содержит оси симметрии пятого, третьего и второго порядка. Квазикристалл такого состава до этого не был синтезирован в лаборатории; кроме того, неизвестно ни одной другой устойчивой квазикристаллической фазы с таким элементным составом. Ученые также отмечают, что найденная фаза — самый старый по возрасту из известных на данный момент антропогенных квазикристаллов с подтвержденной структурой — ему почти 75 лет. Единственный известный более старый квазикристалл имеет природное происхождение: он обнаружен во фрагментах метеорита «Хатырка» и, по современным оценкам, ему больше нескольких сотен миллионов лет.

Чтобы понять, в каких условиях образовался этот квазикристалл, авторы работы провели минералогический анализ найденного образца красного тринитита. Данные изотопного состава минерала показали, что он образовался на расстоянии примерно 50–60 метров от эпицентра ядерного взрыва, давление при этом составляло от 50 до 80 тысяч атмосфер, а температура — около 1500 градусов (максимальная температура во время взрыва достигала 8 тысяч градусов).

Ученые отмечают, что исследование минералов в местах других ядерных испытаний, возможно, также позволит обнаружить неизвестные на данный момент квазикристаллические фазы. Кроме того, анализ состава и структуры квазикристаллов и содержащих их минералов может оказаться полезным для изучения термодинамических последствий атомных взрывов.

В 2016 году именно Бинди и Стейнхардт впервые нашли квазикристалл природного происхождения с икосаэдрической симметрией, до этого не синтезированный в лаборатории.

Синтезированные квазикристаллы часто обладают необычными механическими или оптическим исвойствами. Например, в 2020 году физики из университета ИТМО с помощью трехмерной лазерной печати создали полимерный квазикристалл, который локализовал свет.

Александр Дубов