Prva nuklearna eksplozija stvorila „nemoguće kristale“
20:54 21.05.2021 (Osveženo: 03:13 26.08.2021)
© Depositphotos.com / Curraheeshutter
Pratite nas
U testiranju prve atomske bombe u Alamogordu, u Novom Meksiku, 16. jula 1945. godine, stvoreni su „nemogući kristali“, tzv. kvazikristali.
Prema istraživanju predstavljenom u časopisu „Prosidings of nešnal akademi of Sajensiz“ (PNAS), tokom Triniti testa, koji je bio deo projekta Menhetn, došlo je do spajanja okolnog peska, materijala iz eksperimentalnog tornja i bakarnih vodova u staklenasti materijal, mineral koji je po događaju nazvana trinitit.
Jedinstven kristal jedinstvene legure i jedinstvene istorije
Tim naučnika iz više američkih univerziteta i laboratorija nedavno je u uzorcima crvenog trinitita prikupljenog na mestu eksplozije otkrio prisutnost dvadesetostranog kvazikristala sastavljenog od silicijuma, bakra, kalcijuma i železa – Si61Cu30Ca7Fe2. Ovaj kvazikristal je najstariji poznati kvazikristal stvoren ljudskim delovanjem, prvi je s takvim sastavom elemenata, a posebno je zanimljivo to što su trenutak i mesto njegovog nastanka, iako je nastao slučajno, dobro poznati.
Neobična svojstva „nemogućih kristala“
Kvaziperiodični kristali ili, kraće, kvazikristali su čvrste materije čije se atomske strukture, za razliku od onih u uobičajenim kristalima, ne ponavljaju na regularan način sličan strukturama izgrađenim od cigli. Njihova je struktura uređena, ali nije periodična, u smislu da se ponavlja na neki regularan način.
Aperiodični mozaici, poput onih koji se nalaze u srednjovekovnim islamskim mozaicima palate Alhambra u Španiji, pomogli su naučnicima da shvate kako kvazikristali izgledaju na atomskoj ravni. U tim mozaicima, kao i u kvazikristalima, obrasci su pravilni – slede matematička pravila – ali se nikada ne ponavljaju. Dok obične kristalne strukture izgledaju identično kada se prevedu, odnosno pomaknu po određenim smerovima, kvazikristali imaju simetrije koje su se nekad smatrale nemogućima.
Kvazikristalni uzorak može kontinuirano ispunjavati sav raspoloživi prostor, ali mu nedostaje prevodna simetrija. Zanimljiva osobina takvih uzoraka jest da se matematička konstanta, poznata kao grčko slovo tau, ili „zlatni rez“, u njima javlja ponovo i ponovo. Na primer, neki kvazikristali imaju pentagonalnu simetriju pa izgledaju isto ako se okrenu oko bilo koje ose rotacije za petinu punog kruga, što je inače svojstvo dvadesetostranog tela, ikosaedra.
Osobine im se bitno razlikuju od osobina klasičnih kristala. Uprkos tome što su metali, slabi su provodnici električne struje i toplote, a takođe su i tvrdi i krti. Nakon otkrića njihovih zanimljivih svojstava počeli su se laboratorijski proizvoditi. Među ostalim, koriste se u superizdržljivim vrstama čelika, za izradu slojeva u tiganjima i u posebnim uređajima za emisiju svetla.
Otkriće „nemogućih kristala“
Prvi ih je otkrio izraelski naučnik Daniel Šehtman, za šta je 1996. dobio Nobelovu nagradu. On je još 1982. u veštački stvorenoj leguri otkrio dvadesetostrani kristal u kojem su atomi bili spojeni u uzorak koji je nemoguće ponoviti. Do tada su naučnici mislili da atomski obrasci u kristalima moraju biti simetrični i da se moraju ponavljati.
„To otkriće je kvazikristale predstavilo kao očaravajuće arapske mozaike reprodukovane na nivou atoma koji se nikada ne ponavljaju“, pojasnio je Odbor za dodelu Nobelove nagrade u komentaru svoje odluke o dodeli.
Otprilike u isto vreme teorijski fizičar Pol J. Steinhart i njegovi saradnici počeli su istraživati mogućnost postojanja trodimenzionalnih struktura koje se ne ponavljaju. One su imale istu simetriju kao ikosaedar, telo s dvadeset ploha, ali su bili sastavljeni od nekoliko različitih vrsta gradivnih blokova koji se nikada nisu ponovili u istom uzorku.
Matematičar i fizičar Rodžer Penrouz i neki drugi naučnici pre toga su otkrili analogne uzorke u dve dimenzije, koji se nazivaju Penrouzovim popločavanjem.
Nakon otkrića 2011. naučnici su sintetizovali mnoge vrste kvazikristala, proširujući raspon mogućih zabranjenih simetrija.
Stvaranje u ekstremnim uslovima – sudarima asteroida i velikim eksplozijama
Stajnhart i njegovi kolege kasnije su pronašli prvi ikosahedrit u prirodi u fragmentima meteorita pronađenog u istočnom Sibiru u Rusiji. Pretpostavili su da je meteorit nastao u sudaru dvaju asteroida u ranom Sunčevom sistemu. Neki od veštački napravljenih kvazikristala takođe su stvoreni sudaranjem materijala velikim brzinama pa su se Stajnhart i njegov tim pitali da li bi udarni talasi nuklearnih eksplozija takođe mogli stvarati kvazikristale.
U eksperimetntu Triniti 1945. na tornju visokom 30-ak metara detonirana je plutonijumska nuklearna bomba. Toranj je bio opremljen senzorima i kablovima. U eksploziji je stvoren staklasti materijal koji su naučnici nazvali trinitit. Kvazikristali se često sastoje od materijala koji se uobičajeno ne kombinuju zajedno.
Poput većine poznatih kvazikristala, čini se da je i struktura trinitita legura – materijal sličan metalu koji se sastoji od pozitivnih jona u moru elektrona. To je neobično za silicijum, koji se obično javlja u stenama u oksidiranom obliku: obrtanje oksidacije zahtevalo bi ekstremne uslove, poput jake topline i pritiska udarnog talasa, rekao je za „Nejčr Linkoln holister“, geonaučnik s Prinstona.
Otkriće u trinititu
Posle 10 meseci pomnog istraživanja crvenog trinitita Stajnhart i njegovi saradnici otkrili su malo zrno kvazikristala ikosaedrične simetrije poput one u Šehtmanovom izvornom otkriću.
„Dominacija silicijuma u njegovoj strukturi prilično je posebna“, rekla je za „Nejčr“ Valeria Molinero, teorijska hemičarka sa Univerziteta Juta u Solt Lejk Sityju.
„Međutim, nakon što su u laboratoriju sintetizovani mnogi kvazikristali, ono što mi se čini zaista intrigantnim je to što su tako retki u prirodi“, dodala je.
Stajnhart smatra da bi razlog tome mogla biti činjenica da stvaranje kvazikristala uključuje „neobične kombinacije elemenata i neobične rasporede“ koji u prirodi mogu nastati samo u ekstremnim uslovima. Zbog takvih svojstava oni bi se mogli koristiti za svojevrsnu nuklearnu forenzičku nauku jer bi mogli otkrivati mesta na kojima se dogodilo tajno nuklearno ispitivanje.
Kvazikristali se mogu stvarati i u drugim materijalima koji su nastali u ekstremnim uslovima, poput fulgurita, koji nastaje prilikom udara groma u stene, pesak ili druge sedimente, prenosi „Indeks“.
