Ядерный взрыв 1945 года случайно создал материал, которого не существовало в природе

Во время ядерного испытания «Тринити» 16 июля 1945 года в пустыне Нью-Мексико — первого в истории человечества подрыва атомной бомбы — самопроизвольно возник материал, которого прежде не существовало ни в природе, ни в лаборатории. Международная исследовательская группа под руководством геолога Луки Бинди из Флорентийского университета идентифицировала новый клатрат на основе кальция, меди и кремния. Открытие опубликовано спустя почти восемь десятилетий после самого взрыва.

Что такое клатраты и почему они важны

Клатраты — это класс материалов с характерной «клеточной» структурой: их кристаллическая решётка буквально заключает внутри себя атомы или молекулы других веществ. Именно это делает их свойства нестандартными и технологически привлекательными.

Области применения клатратов охватывают сразу несколько перспективных направлений: термоэлектрические преобразователи, способные превращать тепло в электричество, новые типы полупроводников, а также системы хранения газа и водорода для будущей энергетики. Для IT-отрасли и производителей электроники это направление особенно актуально — термоэлектрика напрямую влияет на эффективность охлаждения вычислительных систем.

Новый клатрат Ca-Cu-Si ранее не был зафиксирован ни как природный минерал, ни как искусственно синтезированное соединение. Это означает, что экстремальные условия ядерного взрыва породили химическую конфигурацию, которую стандартные лабораторные методы воспроизвести не могут.

Как учёные нашли материал спустя 80 лет

Объектом исследования стал тринитит — силикатное стекло, образовавшееся при оплавлении пустынного песка в эпицентре взрыва. Материал хорошо известен геологам и коллекционерам, однако его состав продолжают изучать до сих пор.

Команда Бинди применила рентгеновскую дифракцию и ряд других аналитических методов, исследуя микроскопическую каплю металла, богатую медью, внутри образца красного тринитита. Именно в этой капле и был обнаружен новый клатрат. Красный тринитит — редкая разновидность материала, окраска которой объясняется присутствием медных включений от проводки испытательной установки.

Примечательно, что это уже второе крупное открытие, сделанное той же группой на материале одного и того же взрыва. Несколько лет назад Бинди и его коллеги зафиксировали в тринитите квазикристалл, богатый кремнием, — структуру с нестандартной атомной симметрией, которая не вписывается в классическое определение кристалла, но визуально напоминает его.

Ядерный взрыв как природная лаборатория

Связь между двумя открытиями — клатратом и квазикристаллом — позволяет учёным глубже понять, как атомы самоорганизуются при экстремальных температурах и давлениях. Оба соединения возникли в одном и том же событии, в одном и том же материале, но представляют собой принципиально разные классы веществ.

««События вроде ядерных взрывов, ударов молнии или падений метеоритов функционируют как настоящие природные лаборатории, — объясняют исследователи. — Они позволяют наблюдать формы материи, которые мы не можем легко воспроизвести в лаборатории».»

Эта логика перекликается с другими направлениями материаловедения: часть соединений, найденных в метеоритах или в зонах удара молний, впоследствии удалось синтезировать искусственно и применить в промышленности. Тринитит в этом смысле — уникальный архив экстремальной химии, доступный для изучения.

Для научного сообщества открытие важно не только само по себе, но и как методологический прецедент: деструктивные события могут служить источником данных о материалах, недостижимых иными способами. Это меняет подход к изучению последствий высокоэнергетических явлений — от военных испытаний до астрофизических процессов.

Что это значит для технологий

Практическая ценность открытия пока носит фундаментальный характер: новый клатрат необходимо сначала научиться синтезировать в управляемых условиях, прежде чем говорить о каких-либо приложениях. Однако сам факт его существования расширяет карту возможных соединений, которые материаловеды могут целенаправленно искать или моделировать.

Клатраты на основе кремния и металлов уже рассматриваются как кандидаты для термоэлектрических модулей нового поколения. Если Ca-Cu-Si окажется синтезируемым, он может войти в этот список. Для технологических компаний, работающих с управлением теплом в электронике, — а это актуально и для белорусских разработчиков «железа» и встраиваемых систем — подобные материалы в перспективе способны изменить архитектуру охлаждения.

Исследование наглядно демонстрирует, что граница между разрушением и открытием в науке нередко оказывается условной. Взрыв, уничтоживший башню и оплавивший песок в 1945 году, спустя восемь десятилетий продолжает поставлять данные для фундаментальной химии.

— По материалам Wired: оригинальная статья. Перевод и адаптация — редакция Digital Business.