Der neu entdeckte Quasikristall – „bemerkenswert in seiner Komplexität“ – entstand durch die erste nukleare Explosion am Standort Trinity

Die Entdeckung neuer Materialien könnte eines Tages dazu beitragen, die Verbreitung von Atomwaffen zu verhindern.

Der neu entdeckte Quasikristall, der durch die erste nukleare Explosion am 16. Juli 1945 am Standort Trinity in New Mexico erzeugt wurde, könnte Wissenschaftlern eines Tages helfen, illegale nukleare Explosionen besser zu verstehen und die Verbreitung von Nuklearwaffen zu begrenzen.

Bild einer roten Dreifachprobe mit einem Quasikristall. Bildnachweis: Luca Bindi und Paul J Steinhardt.

Terry C. Wallace, emeritierter Direktor des Los Alamos National Laboratory und Mitautor des gestern veröffentlichten Papiers über die Entdeckung PNAS. Normalerweise analysieren wir Trümmer und radioaktive Gase, um zu verstehen, wie die Waffen oder die darin enthaltenen Materialien hergestellt werden, aber diese Signaturen verschlechtern sich. Ein Quasikristall, der sich am Ort einer nuklearen Explosion bildet, könnte uns wahrscheinlich neue Arten von Informationen liefern – und sie werden für immer da sein. „“

Das neu entdeckte Material wurde versehentlich bei der Explosion des ersten Atombombentests gebildet, bei der der umgebende Sand, der Testturm und die Kupferübertragungsleitungen zu einer glasartigen Substanz namens Trinityit verschmolzen wurden. Quasikristalle sind eine seltsame Substanz, die gegen die Regeln klassischer kristalliner Materialien verstößt. Substanzen wie Zucker, Salz oder Quarz bilden Kristalle mit einer sogenannten periodischen Anordnung: Die Atome sind in einem Muster angeordnet, das sich in drei Dimensionen wiederholt. Teilkristalline Kristalle wurden erstmals in den 1980er Jahren entdeckt und haben eine atomare Struktur ihrer Bestandteile, aber das Muster ist nicht zyklisch. Das quasikristalline Material, das durch eine Triadenexplosion in einer Probe aus rotem Trinitit erzeugt wurde, weist eine 5-fache Rotationssymmetrie auf, die in einem normalen Kristall nicht möglich ist. Die Symmetriegruppe eines Quasikristalls ist dieselbe wie die Gruppe der gewöhnlichen 20-seitigen Feststoffe, die als hexaedrisch bekannt sind, und die Chemie wird durch die Formel Si angegeben₆₁Mit₃₀Welche – welche₇Fe₂. Dieser neue teilkristalline Kristall ist heute der älteste künstlich hergestellte quasikristalline Kristall mit einem scheinbaren Zeitstempel (durch seine Bildung, seinen Entdeckungsort und seine Radioaktivität), der seinen Entstehungszeitpunkt anzeigt.

Die kombinierten Röntgenkarten der polierten Oberfläche der untersuchten Probe zeigen den Unterschied der chemischen Zusammensetzung Ca-Si-Al. Bildnachweis: Luca Bindi und Paul J Steinhardt.

„Quasikristalle bilden sich in extremen Umgebungen, die auf der Erde selten zu finden sind“, sagte Wallace, ein Geophysiker. „Es erfordert ein traumatisches Ereignis mit starkem Schock, Temperatur und Druck. Wir sehen es normalerweise nicht, außer in etwas so Dramatischem wie einer nuklearen Explosion.“ Die thermodynamischen / Schockbedingungen, unter denen die Quasikristalle gebildet wurden, sind in etwa vergleichbar mit denen, die die im Khatyrka-Meteoriten entdeckten natürlichen Kristalle bildeten, die mindestens Hunderte von Millionen von Jahren zurückreichen und möglicherweise bis zum Beginn des Sonnensystems zurückreichen .

Rückgestreutes Rasterelektronenmikroskopbild eines untersuchten Metalltröpfchens, das ein quasikristallines Element enthält, mit Merkmalen von Cu, Cu2S und Si61Cu30Ca7Fe2 markiert. Bildnachweis: Luca Bindi und Paul J Steinhardt

„Dieser Quasikristall ist in seiner Komplexität bemerkenswert – aber noch kann uns niemand sagen, warum er so entstanden ist. Aber eines Tages wird ein Wissenschaftler oder Ingenieur es herausfinden und es wird uns die Schuppen aus den Augen nehmen und wir werden es tun.“ Ich hoffe, dass wir dieses Wissen nutzen können, um nukleare Explosionen besser zu verstehen und letztendlich zu einem vollständigeren Bild dessen zu führen, was ein Nukleartest darstellt.

Referenz: „Versehentliche Synthese eines bisher unbekannten quasikristallinen Materials im ersten Atombombentest“ von Luca Bindi, William Kolb, J. Nelson Eppe, Paul de Asimo, Terry C. Wallace und Paul J. Steinhardt, 17. Mai 2021 Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
DOI: 10.1073 / pnas.2101350118

Das Papier wurde in Zusammenarbeit mit der Universität von Florenz, Italien, der Universität von Massachusetts und dem California Institute of Technology verfasst Princeton Universität.