Geometrisk forvirrende kvasikrystaller fundet i resterne af den første atomsprængning nogensinde

Nukleare detonationer udløser en forbløffende mængde destruktiv kraft. Men det ekstreme tryk og den temperatur, de genererer, gør også atomsprængninger til en gryde med kemisk frembringelse, i stand til at levere nye og overraskende videnskabelige opdagelser.

I 1950'erne, for eksempel, videnskabsmænd, der undersøgte affald fra amerikanske brintbombetest, fandt to nye elementer, som nu indtager tallene 99 og 100 i det periodiske system. De opkaldte dem efter fremtrædende nuklear videnskabsmænd:einsteinium for Albert Einstein, og fermium til Enrico Fermi.

Nu, videnskabsmænd, der sigter gennem affald på stedet for den første atombombedetonation nogensinde - afholdt i New Mexico i juli 1945 og navngivet Trinity-testen - har afsløret en anden kemisk mærkværdighed. I deres papir, forskerne rapporterer opdagelsen af ​​en hidtil ukendt type "kvasikrystal" - en krystalformation engang troede umulig på grund af dens uregelmæssige geometriske struktur.

Hvad er kvasikrystaller?

Kvasikrystaller blev først opdaget af materialeforsker Dan Schechtman i 1984, men blev oprindeligt set som meget kontroversielle - endda umulige - fordi deres unikke form ikke er tilladt af reglerne, der definerer krystalstrukturer.

Krystaller er sammensat af enheder, der gentages periodisk i tre dimensioner. En god måde at tænke på dette er at forestille dem i to dimensioner. Du kan flisebelægge et gulv med visse geometriske former - som firkanter, trekanter og sekskanter - fordi de tesselerer, hvilket betyder, at de kan slidses sammen i et gentaget mønster uden overlapninger eller mellemrum. Du kan ikke gøre dette med femkantede eller heptagonale fliser. De kan ikke tesselleres, så de ville efterlade uregelmæssige huller på dit gulv.

Tredimensionelle krystalstrukturer overholder den samme regel. De gentagne enheder arrangerer sig naturligt i et regulært mønster - og fylder al den tilgængelige plads op. Et sekskantet arrangement, for eksempel, er en typisk krystalstruktur.

Den generelle regel er, at krystaller skal have gentagne enheder med 2-fold, 3 gange, 4-fold eller 6-fold akser. Her, "fold" betyder, hvor mange gange du kan rotere den tredimensionelle krystalenhed, så den ser ud som dens startposition - hvilket muliggør tessellering. Reglen betyder, at krystalenheder med en 5-fold akse (femkantet) eller noget 7-fold og derover (heptagonal og derover) ikke vil tesselere, og kan derfor ikke eksistere.

Penrose flisebelægning

Denne regel gjaldt indtil 1974, da den britiske matematiske fysiker Roger Penrose fandt en måde at dække et todimensionalt rum som et gulv med former, der ikke gentager sig periodisk - en form for tessellation nu kaldet "Penrose fliser".

Disse ideer blev hurtigt anvendt på tredimensionelle strukturer, og det var i 1984, at Schechtman udgav sit eksperimentelle arbejde om kvasikrystaller. Hans opdagelse gav ham Nobelprisen i kemi i 2011.

Over 100 typer kvasikrystal er blevet opdaget siden, selvom næsten alle af dem er blevet produceret i laboratoriet. Tre undtagelser, fundet i Khatyrka-meteoritten i det nordøstlige Rusland, kan dateres tilbage til begyndelsen af ​​vores solsystem. Og nu er der en anden, som er den ældste eksisterende kvasikrystal, der er blevet produceret - om end ved et uheld - som et resultat af menneskelig aktivitet.

Ny kvasikrystal

Den nye kvasikrystal blev fundet i et glasagtigt materiale kaldet rød trinitit, som forskerne hentede fra stedet for atomsprængningen i 1945. Trinitten blev dannet i det øjeblik, hvor Trinity-testen detonerede, da New Mexicos ørkensand blev kastet op i luften og opvarmet til 8, 000°C, før det regner ned som nysyntetiseret trinit.

Denne nye kvasikrystal er icosahedral - besidder 20 ansigter - og er struktureret med 2-fold, 3-foldede og 5-foldede symmetriakser. Det betyder, at der er tre specifikke perspektiver af denne komplekse 3D-struktur, som gentages identisk, når den roteres:et gentages to gange, en tre gange, og de andre fem gange. Det er den 5-foldede akse – ligesom den todimensionelle femkant, vi ved ikke kan tessellate – der betyder, at prøven er en kvasikrystal.

Det er også en unik prøve, fordi kvasikrystallen har silicium, calcium og kobber i dets sammensætning. Kobberet, som giver treenigheden sin røde nuance, sandsynligvis at have fundet vej ind i kvasikrystallen via et sæt transmissionsledninger, der løb tæt på stedet for bombetesten og blev fordampet sammen med sandet ved detonation.

At lære af kvasikrystaller

Praktisk talt, materialeforskere udforsker anvendelsen af ​​kvasikrystaller til at udnytte deres dårlige varmeledningsevne, som muligvis er relateret til deres ikke-periodiske strukturer. De er allerede blevet brugt som belægninger i non-stick stegepander, for eksempel. Andre foreslåede anvendelser omfatter LED-lys og kirurgiske instrumenter, men deres udvikling er på et tidligt stadium.

Men hvis flere af disse krystallografiske og kemiske kuriositeter bliver fundet i affaldet efterladt af atombombetests, At studere deres sammensætning kunne også hjælpe videnskabsmænd med at forstå de voldsomme kræfter, der er på spil i hjertet af atomsprængninger - et sted, som intet videnskabeligt instrument endnu har målt direkte.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.