Európai és amerikai fizikusok egy korábban teljesen ismeretlen kristályfázist fedeztek fel a Manhattan-projekt 1945-ös Trinity-tesztjének helyszínén – nyolc évtizeddel az első atombomba felrobbantása után. A Trinity-teszt kristálya egy úgynevezett klatrát, amelynek szerkezete kvantumszámítógépek, napelemek és akkumulátorok fejlesztéséhez is hozzájárulhat.
A Trinity-teszt volt az emberiség történetének első nukleáris fegyverkísérlete, amelyet az Új-Mexikói sivatagban hajtottak végre. A 21 kilotonnás plutóniumos szerkezet felrobbanásakor a kísérleti torony – rézkábeleivel, burkolataival és műszereivel együtt – pillanatok alatt párává vált. A robbanás hőmérséklete meghaladta az 1500 Celsius-fokot, nyomása pedig nagyjából egymillió font per négyzetinch volt – olyan szélsőséges körülmény, amely a Föld kérgének mélységeiben, kőzetekre ható nyomáshoz hasonlítható.
A sivatagi homok és a felrobbant torony fémgőzei összeolvadtak, és különféle üvegszerű anyagokat hoztak létre. Ezek közül a legritkább a vörös trinitit – egy vörhenyes üvegdarab, amelybe a torony réztartalma épült be.
Mi az a klatrát, és miért fontos?
A klatrát egy különleges kristályszerkezet, amelyben az atomok egyfajta nanométeres ketrecrendszert alkotnak – apró, geometrikus rácsokat, amelyek képesek más molekulákat vagy atomokat befogadni és tárolni. A tudományos és ipari érdeklődés azért övezi ezeket az anyagokat, mert rendkívül sokféle alkalmazásban hasznosíthatók:
- lítiumion-akkumulátorokban a töltési és kisülési ciklusok során a lítiumionok tárolójaként működhetnek,
- napelemeknél speciálisan „szennyezett”, azaz meghatározott elemekkel dúsított szilíciumvegyületek előállítására alkalmasak,
- kvantumszámítógépeknél különleges elektromos és mágneses tulajdonságaik révén alapanyagként jöhetnek szóba.
Milyen kristályt találtak pontosan a kutatók?
Luca Bindi, a firenzei egyetem ásványtani és krisztallográfiai tanszékének vezetője, princeton-i, Carnegie Mellon-i és pozsonyi kollégáival együtt egy vörös trinititmintát vetett alá részletes egykristályos röntgendiffrakciós elemzésnek. Az eredmény: egy szilíciumból, kalciumból, vasból és a robbantott torony réztartalmából álló, teljesen ismeretlen klatrátfázis, amelyet korábban soha senki nem azonosított.
A kristály geometriája is különleges: tizenkét lapú dodekaedrális és tizennégy lapú tetrakaidekaedrális szilíciumketrecekből áll – egy olyan összetett háromdimenziós rácsrendszer, amelyet a Gizmodo szerint hagyományos laboratóriumi szintézis módszerekkel nem lehet előállítani.
Miért fontos ez a felfedezés?
A kutatók szerint ez az eredmény két szempontból is jelentős. Egyrészt ez az első crystallográfiailag igazolt klatrátszerkezet, amelyet nukleáris robbanás hozott létre – tudománytörténeti szempontból tehát egyedülálló lelet. Másrészt a felfedezés segíthet a kutatóknak jobban megérteni és modellezni, hogyan keletkeznek ezek a bonyolult kristályszerkezetek szélsőséges körülmények között – olyan helyzetekben, amelyeket laboratóriumban lehetetlen reprodukálni.
A Trinity-teszt helyszíne nyolc évtizeddel a robbanás után még mindig tart meglepetéseket – most egy teljesen ismeretlen kristályszerkezet formájában. A vörös trinitit apró darabjában rejtőző klatrát nemcsak a nukleáris korszak egzotikus mellékterméke, hanem a jövő technológiáinak megértéséhez is közelebb vihet. Ahogy a kutatók fogalmaznak: a szélsőséges természeti és mesterséges események – nukleáris robbantások, villámcsapások, meteorbecsapódások – valódi természetes laboratóriumok, amelyek olyan anyagokat hoznak létre, amelyekre a tudomány még nem volt felkészülve.
