Η πρώτη πυρηνική δοκιμή για το Project Manhattan δημιούργησε έναν «αδύνατο» κρύσταλλο!

Σύνοψη

• Η πρώτη πυρηνική δοκιμή (Trinity Test, 16 Ιουλίου 1945) παρήγαγε έναν νέο, άγνωστο μέχρι σήμερα τύπο κρυστάλλου (clathrate).
• Η κρυσταλλική δομή αποτελείται από ένα πλέγμα πυριτίου που εγκλωβίζει άτομα ασβεστίου και χαλκού, και σχηματίστηκε σε θερμοκρασίες άνω των 1.500°C και πιέσεις 5 έως 8 gigapascals.
• Μέσω υπολογιστικών μοντέλων (Density Functional Theory), αποδείχθηκε ότι ο συγκεκριμένος κρύσταλλος δημιουργήθηκε ανεξάρτητα από τον ημικρύσταλλο (quasicrystal) που είχε βρεθεί στο ίδιο δείγμα το 2021.

Η πρώτη δοκιμή πυρηνικού όπλου στην ιστορία της ανθρωπότητας, η οποία πραγματοποιήθηκε στο Νέο Μεξικό στις 16 Ιουλίου 1945 στο πλαίσιο του Σχεδίου Μανχάταν, συνεχίζει να παρέχει νέα επιστημονικά δεδομένα περισσότερο από οκτώ δεκαετίες μετά. 

Η έκρηξη, γνωστή ως Trinity test, απελευθέρωσε ενέργεια ισοδύναμη με 21 κιλοτόνους TNT. Η ισχύς αυτή ήταν επαρκής για να εξατμίσει τον δοκιμαστικό πύργο ύψους 30 μέτρων, μαζί με τα χάλκινα καλώδια και τα όργανα μέτρησης, ενώ ταυτόχρονα έλιωσε την άμμο της ερήμου. Το αποτέλεσμα αυτής της ταχείας τήξης και ψύξης ήταν η δημιουργία ενός υαλώδους υλικού, το οποίο ονομάστηκε τρινιτίτης (trinitite).

Μέσα σε αυτό το υλικό, και συγκεκριμένα στη σπάνια κόκκινη παραλλαγή του, μια διεθνής ομάδα ερευνητών ανακάλυψε πρόσφατα μια κρυσταλλική δομή η οποία υπό κανονικές συνθήκες θεωρείται αδύνατο να σχηματιστεί στη Γη. Η έρευνα επικεντρώνεται στην ανάλυση φάσεων στερεάς κατάστασης που προκύπτουν εκτός θερμοδυναμικής ισορροπίας.

Οι ερευνητές εντόπισαν έναν άγνωστο μέχρι σήμερα τύπο κρυστάλλου (Ca-Cu-Si type-I clathrate) ενσωματωμένο σε ένα σταγονίδιο πλούσιο σε χαλκό μέσα στον κόκκινο τρινιτίτη. Πρόκειται για την πρώτη φορά που επιβεβαιώνεται κρυσταλλογραφικά η ύπαρξη δομής clathrate στα κατάλοιπα μιας πυρηνικής έκρηξης.

Ο μηχανισμός σχηματισμού σε ακραίες συνθήκες

Ο όρος "κρύσταλλος" χρησιμοποιείται για να περιγράψει την αυστηρά διατεταγμένη διάταξη των ατόμων στο εσωτερικό των υλικών. Στην πλειονότητα των περιπτώσεων, οι κρύσταλλοι απαιτούν σταθερές και ελεγχόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες για να αναπτυχθούν. Τα ανόργανα clathrates (εγκλεισματικές ενώσεις), ωστόσο, αποτελούν μια ιδιαίτερη κατηγορία. Αποτελούνται από ένα πλέγμα που μοιάζει με κλουβί, ικανό να παγιδεύει στο εσωτερικό του διαφορετικά άτομα. Η σύνθεσή τους στη φύση είναι εξαιρετικά σπάνια και απαιτεί συγκεκριμένα, βίαια περιβάλλοντα.

Κατά τη διάρκεια της έκρηξης Trinity, το σοκ της πυροδότησης προκάλεσε την απαιτούμενη ακραία πίεση και θερμοκρασία. Αμέσως μετά την αιχμή της έκρηξης, η πίεση μειώθηκε ραγδαία, ακολουθούμενη από εξίσου γρήγορη ψύξη. Αυτή η ακολουθία γεγονότων "πάγωσε" τα άτομα σε ασυνήθιστες διαμορφώσεις πριν προλάβουν να επιστρέψουν σε πιο σταθερές δομές, κλειδώνοντάς τα σε θέσεις που συγκροτούν το εντοπισμένο clathrate.

Η σχέση με τον ημικρύσταλλο (Quasicrystal) του 2021

Η συγκεκριμένη ανακάλυψη έχει επιπλέον σημασία λόγω της γειτνίασης της με ένα άλλο εξωτικό υλικό. Το 2021, η ίδια ερευνητική ομάδα είχε ταυτοποιήσει έναν ημικρύσταλλο (quasicrystal) μέσα στο ίδιο ακριβώς δείγμα κόκκινου τρινιτίτη. Επειδή οι συνθήκες που ευνοούν τη δημιουργία clathrates προωθούν συχνά και τον σχηματισμό ημικρυστάλλων, και λόγω του ότι και οι δύο δομές εμφάνιζαν παρόμοια χημική σύσταση (πλούσια σε πυρίτιο, ασβέστιο και χαλκό), οι επιστήμονες υπέθεσαν αρχικά ότι ο ημικρύσταλλος ενδέχεται να προήλθε δομικά από το δίκτυο του clathrate.

Για να ελέγξουν αυτή την υπόθεση, οι ερευνητές πραγματοποίησαν υπολογισμούς θεωρίας συναρτησιακής πυκνότητας (Density Functional Theory - DFT) στο Εθνικό Υπολογιστικό Κέντρο Επιστημονικών Ερευνών Ενέργειας (NERSC) των ΗΠΑ. Τα μαθηματικά μοντέλα έδειξαν ότι, παρόλο που η μετατροπή από clathrate σε ημικρύσταλλο είναι μηχανικά εφικτή και μετασταθής όταν η συγκέντρωση χαλκού είναι χαμηλή (10-11%), καθίσταται ασταθής όταν τα επίπεδα χαλκού προσεγγίζουν αυτά του ημικρυστάλλου της δοκιμής Trinity.

Η συγκεκριμένη ανάλυση οδήγησε στο συμπέρασμα ότι οι δύο σπάνιες κρυσταλλικές φάσεις δημιουργήθηκαν εντελώς ανεξάρτητα η μία από την άλλη, μέσα από το ίδιο μείγμα πρώτων υλών και κάτω από τις ίδιες ακραίες, παροδικές συνθήκες.

Πυρηνική εγκληματολογία και μελλοντικές εφαρμογές

Η μελέτη δομών που σχηματίζονται κάτω από ακραίες συνθήκες παρέχει νέα εργαλεία στον τομέα της πυρηνικής εγκληματολογίας. Η κατανόηση των ορυκτολογικών «αποτυπωμάτων» που αφήνουν πίσω τους οι πυρηνικές εκρήξεις μπορεί να βοηθήσει στην ακριβή ανάλυση των θερμοδυναμικών προφίλ παλαιότερων ή μη καταγεγραμμένων πυρηνικών δοκιμών.

Επιπλέον, η μελέτη αποδεικνύει ότι τα εξαιρετικά σπάνια γεγονότα υψηλής ενέργειας - όπως οι πυρηνικές εκρήξεις, οι ισχυροί κεραυνοί και οι προσκρούσεις μετεωριτών με υπερυψηλές ταχύτητες - λειτουργούν ως φυσικά εργαστήρια. Προσφέρουν τις απαραίτητες συνθήκες για τη σύνθεση υλικών τα οποία δεν μπορούν να δημιουργηθούν στα συμβατικά εργαστήρια, ανοίγοντας νέους δρόμους για την επιστήμη συμπυκνωμένης ύλης.

*Μπορείτε πλέον να προσθέσετε το Techgear.gr ως Προτιμώμενη Πηγή ενημέρωσης για τις αναζητήσεις σας στο Google Search!