Ανακαλύφθηκε άγνωστο κράμα μετάλλων που δημιουργήθηκε κατά τον βομβαρδισμό της Χιροσίμα

Σύνοψη

• Εντοπίστηκε ένα άγνωστο μέχρι σήμερα πολύπλοκο κράμα πλούσιο σε πυρίτιο σε επιστημονικά δείγματα από την πυρηνική έκρηξη στη Χιροσίμα το 1945.
• Το υλικό βρέθηκε στο εσωτερικό των «hiroshimaites», μικροσκοπικών σταγονιδίων μετάλλου και γυαλιού που σχηματίστηκαν υπό ακραίες θερμοκρασίες οι οποίες ξεπέρασαν τους 7.000 βαθμούς Κελσίου.
• Η κρυσταλλική δομή του νέου κράματος είναι εξαιρετικά οργανωμένη παρά τη χημική του πολυπλοκότητα, συνδυάζοντας στοιχεία όπως σίδηρο, νικέλιο, πυρίτιο και αλουμίνιο από τα κτίρια που εξαερώθηκαν.
• Η ανακάλυψη παρέχει πολύτιμα δεδομένα στον ταχέως αναπτυσσόμενο τομέα της «πυρηνικής εγκληματολογίας» και αναμένεται να λειτουργήσει ως οδηγός για τη σύνθεση νέων, υπερανθεκτικών υλικών για κρίσιμες βιομηχανικές εφαρμογές.

Ογδόντα και πλέον χρόνια μετά τη ρίψη της ατομικής βόμβας στην ιαπωνική πόλη της Χιροσίμα, η επιστημονική κοινότητα εξακολουθεί να εντοπίζει άγνωστες πτυχές και απρόσμενες χημικές συνέπειες της καταστροφικής εκείνης έκρηξης, οι οποίες καταγράφονται πλέον σε επίπεδο αυστηρής μικροσκοπικής και κρυσταλλογραφικής ανάλυσης. 

Σύμφωνα με μια νέα εκτενή ερευνητική εργασία που δημοσιεύτηκε στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Science Advances, μια διεθνής ομάδα ερευνητών προχώρησε στην ταυτοποίηση ενός άγνωστου μέχρι σήμερα πολυσύνθετου κράματος με ιδιαίτερα υψηλή περιεκτικότητα σε πυρίτιο, το οποίο σχηματίστηκε μέσα σε ελάχιστα δευτερόλεπτα κάτω από εξαιρετικά ακραίες θερμοδυναμικές συνθήκες. 

Η συγκεκριμένη ανακάλυψη αναδεικνύει την ικανότητα των ακραίων φαινομένων να δημιουργούν εντελώς νέες κρυσταλλικές δομές που δεν απαντώνται φυσιολογικά στη Γη, παρέχοντας παράλληλα πολύτιμα εμπειρικά δεδομένα για τον αναδυόμενο τομέα της επιστήμης των υλικών.

Τι ακριβώς είναι το νέο κράμα που ανακαλύφθηκε στα συντρίμμια της Χιροσίμα;

Το νέο πολυσύνθετο κράμα είναι ένας εξαιρετικά οργανωμένος μικροσκοπικός κρύσταλλος μεγέθους μόλις 10 μικρομέτρων, πλούσιος σε πυρίτιο, σίδηρο, νικέλιο και αλουμίνιο. Σχηματίστηκε ακαριαία από την εξάτμιση υποδομών στους 7.000°C κατά την πυρηνική έκρηξη, αποδεικνύοντας ότι τα συγκεκριμένα θερμικά γεγονότα μπορούν να συνθέσουν νέες, εξαιρετικά σταθερές και περίπλοκες κρυσταλλικές δομές.

Η επιστημονική ομάδα αξιοποίησε σύγχρονες μεθόδους περίθλασης ακτίνων Χ προκειμένου να μελετήσει με απόλυτη ακρίβεια την ατομική διάταξη των επιλεγμένων δειγμάτων. Οι συγκεκριμένοι κρύσταλλοι εντοπίστηκαν στο εσωτερικό μικροσκοπικών σφαιριδίων τα οποία είναι γνωστά στη διεθνή βιβλιογραφία ως «hiroshimaites» και αποτελούν ουσιαστικά τα συμπυκνωμένα υπολείμματα του αστικού ιστού που εξαερώθηκε από την ισχύ της βόμβας. Για να γίνει απολύτως αντιληπτή η κλίμακα της μικροσκοπικής αυτής παρατήρησης, αρκεί να αναφέρουμε ότι το μέγεθος των εξεταζόμενων δειγμάτων ανέρχεται σε μόλις 10 μικρόμετρα, τη στιγμή που ένα κοινό ανθρώπινο ερυθρό αιμοσφαίριο έχει διάμετρο περίπου 7,8 μικρόμετρα. Η κρυσταλλογραφική ανάλυση αυτών των σωματιδίων αποκάλυψε μια απροσδόκητα οργανωμένη ατομική δομή, παρά το γεγονός ότι τα χημικά συστατικά τους προέρχονται κυριολεκτικά από το χαοτικό μείγμα μετάλλων, χώματος, γυαλιού και νερού που έβρασε υπό τη μορφή πλάσματος κατά τις πρώτες στιγμές της πυρηνικής σχάσης.

Πώς η ακραία θερμοκρασία των 7.000 βαθμών Κελσίου δημιούργησε τους «Hiroshimaites»

Το καλοκαίρι του 1945, η ατομική βόμβα που έριξαν οι ΗΠΑ στη Χιροσίμα παρήγαγε μια πύρινη σφαίρα της οποίας η θερμοκρασία υπολογίζεται ότι άγγιξε ή και ξεπέρασε τους 7.000 βαθμούς Κελσίου. Το πρωτοφανές αυτό θερμικό σοκ οδήγησε στην ακαριαία εξάτμιση ολόκληρων οικοδομικών τετραγώνων και μεγάλων βιομηχανικών εγκαταστάσεων. Τα δομικά υλικά που εξαερώθηκαν, ανυψώθηκαν ταχύτατα στην ατμόσφαιρα ως ένα χαοτικό νέφος υπερθερμασμένου πλάσματος και στη συνέχεια, καθώς η θερμοκρασία άρχισε να πέφτει κατακόρυφα, συμπυκνώθηκαν δημιουργώντας σταγόνες υγρού μετάλλου. Αυτές οι σταγόνες, οι οποίες στερεοποιήθηκαν βίαια ενώ εξακολουθούσαν να αιωρούνται, έπεσαν ξανά στο κατεστραμμένο έδαφος της ιαπωνικής πόλης διασπείροντας αυτά τα εξαιρετικά σπάνια υλικά που σήμερα οι φυσικοί και οι γεωλόγοι αναλύουν ενδελεχώς στα εργαστήριά τους.

Οι συνθήκες υπό τις οποίες πραγματοποιήθηκε αυτή η χαοτική διαδικασία στερεοποίησης περιγράφονται από την ερευνητική ομάδα ως περιβάλλοντα που χαρακτηρίζονται από ακραία και ταχύτατη απόσβεση θερμότητας, καταστάσεις δηλαδή που απαντώνται αποκλειστικά κατά τη διάρκεια συγκρούσεων πλανητικών σωμάτων με υπερυψηλές ταχύτητες, προσκρούσεων ογκωδών μετεωριτών ή κατά την απελευθέρωση τεράστιας ηλεκτρικής ενέργειας από εξαιρετικά ισχυρούς κεραυνούς. Αυτή ακριβώς η πρακτική και ηθική αδυναμία φυσικής αναπαραγωγής τέτοιων ακραίων θερμοδυναμικών συνθηκών σε ένα συμβατικό επιστημονικό εργαστήριο καθιστά τα ιστορικά δείγματα από τις πυρηνικές δοκιμές αναντικατάστατα πεδία μελέτης για την εις βάθος κατανόηση της συμπεριφοράς της ύλης.

Η συμβολή της ανακάλυψης στην «πυρηνική εγκληματολογία» και το Trinity Test

Αξίζει να επισημανθεί ότι η ίδια ερευνητική ομάδα είχε προηγουμένως εντοπίσει έναν αντίστοιχα σπάνιο κρύσταλλο στα συντρίμμια της πρώτης ιστορικά πυρηνικής δοκιμής (Trinity Test) του Manhattan Project στο New Mexico στις ΗΠΑ, γεγονός που αποτέλεσε και την κύρια αφορμή για την επέκταση της έρευνας στα δείγματα της Χιροσίμα. Ωστόσο, οι σημαντικές διαφορές ως προς το υψόμετρο της πυροδότησης οδήγησαν σε διακριτές φυσικές αποκλίσεις μεταξύ των παραγόμενων κρυστάλλων των δύο γεγονότων. Η λεπτομερής σύγκριση αυτών των δεδομένων εδραιώνει πλέον τη δυναμική ενός σχετικά νέου αλλά απολύτως κρίσιμου επιστημονικού κλάδου που ονομάζεται «πυρηνική εγκληματολογία». Μέσω αυτής της πρωτοποριακής μεθοδολογίας, οι μικροσκοπικοί κρύσταλλοι λειτουργούν πρακτικά ως υπερ-ανθεκτικά «μαύρα κουτιά», τα οποία κωδικοποιούν και διασώζουν διαγνωστικές πληροφορίες σχετικά με τα υλικά του αρχικού μηχανισμού, το τοπικό περιβάλλον της έκρηξης, καθώς και τις ακριβείς θερμοχημικές συνθήκες που επικράτησαν στο μικροπεριβάλλον κατά τη στιγμή της σχάσης.

Πέρα όμως από την προφανή ιστορική και εγκληματολογική τους αξία, τα συγκεκριμένα ευρήματα παρουσιάζουν τεράστιο ενδιαφέρον για την εφαρμοσμένη μηχανική και τη βαριά βιομηχανία. Τα πολυσύνθετα κράματα που εντοπίζονται σε αυτά τα δείγματα διαθέτουν εξαιρετικά ασυνήθιστες και περιζήτητες ιδιότητες. Όπως αναφέρεται χαρακτηριστικά στην επιστημονική δημοσίευση, τέτοιου είδους πολύπλοκα συμπλέγματα μετάλλων επιδεικνύουν αξιοσημείωτη μηχανική αντοχή, ασύγκριτη θερμική σταθερότητα και πρωτοφανή ανθεκτικότητα στη διάβρωση. Συνεπώς, η αυστηρά και ηθικά ελεγχόμενη μελέτη αυτών των ακραίων ιστορικών γεγονότων μπορεί να προσφέρει πολύτιμα χημικά μοντέλα για τον σχεδιασμό και την τεχνητή παραγωγή νέων υλικών επόμενης γενιάς, τα οποία θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν μελλοντικά σε κρίσιμες βιομηχανικές, αεροδιαστημικές και ενεργειακές εφαρμογές.