6 августа 1945 года мир изменился навсегда. В тот день человечество впервые преднамеренно направило против себя самое мощное оружие, когда-либо созданное, — когда США сбросили атомную бомбу на жителей Хиросимы в Японии.
За считанные секунды огненный шар нагрелся до температуры выше 7000 °C, испаряя как плоть, так и металл.
И по мере того, как материалы остывали после этого ужасного события, в пепле образовалось нечто невиданное ранее человечеством.
В небольшом образце материала, извлеченном из песка залива Хиросима, ученые во главе с геологом Лукой Бинди из Флорентийского университета в Италии обнаружили крошечное зерно металлического сплава, образовавшегося в экстремальных условиях атомного взрыва. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances .
«Ядерный огненный шар подвергает множество различных материалов воздействию экстремально высоких температур, интенсивному перемешиванию и чрезвычайно быстрому охлаждению — и все это за считанные секунды», — сказал Бинди. «По сути, это позволяет одновременно проводить огромное количество неконтролируемых экспериментов с материалами, отбирая комбинации и структуры, на изучение которых в лабораторных условиях исследователям потребовались бы годы».
Взрыв 15-килотонной бомбы, взорвавшейся над Хиросимой под названием «Малыш» , оставил после себя множество шрамов. Некоторые из них хорошо известны, как тени жертв, высеченные на камне и бетоне; другие же менее заметны.
К последним относятся микроскопические частицы обломков радиоактивных осадков, известные как хиросимаиты – крошечные сгустки стекловидного материала, образовавшиеся в результате перемешивания и быстрого охлаждения испаренного и расплавленного вещества во время воздушного взрыва.
Эти частицы содержат физическое свидетельство существования огненного шара. Различные материалы были собраны и смешаны вместе в условиях и комбинациях, которые обычно не встречаются даже в условиях искусственного производства.
«Металлы, стекло, почва и строительные материалы испаряются и смешиваются при очень высокой температуре, создавая химические соединения, которые редко встречаются в нормальных условиях», — объяснил Бинди. «По мере расширения огненного шара вещество конденсируется и охлаждается настолько быстро, что необычные атомные структуры могут быть зафиксированы в неизменном виде, прежде чем они превратятся в более простые и стабильные структуры».
В предыдущих исследованиях уже было показано, что продукты выпадения радиоактивных осадков в Хиросиме содержат необычные конденсаты, образующиеся в этих экстремальных, но кратковременных температурных условиях.
Бинди и его коллеги, занимаясь поиском необычных металлических фаз, сохранившихся в радиоактивных осадках, провели исследование 34 образцов хиросимаита, используя различные методы высокого разрешения для изучения микроскопического состава и структуры каждого крошечного сгустка.
Один из этих образцов оказался особенно интересным. Внутри его стекловидной матрицы были обнаружены многочисленные микроскопические фрагменты сплава железа и хрома.
Большинство этих металлических фрагментов в той или иной степени соответствовали ожидаемым результатам, исходя из контекста.
Но один выделялся.
«Первую подсказку дал химический анализ: в одном зерне содержалось гораздо больше кремния, чем в окружающих его частицах металла, богатых железом и хромом», — сказал Бинди.
Зерно имеет размер всего около 10 микрометров и, как показал анализ с помощью электронного микрозонда, содержит преимущественно железо, а также хром, кремний, никель, молибден, марганец и алюминий. Но его необычность заключалась не только в сочетании элементов.
Для более детального изучения исследователи выбрали четыре зернышка: это крошечное необычное зерно и три других, примерно такого же размера.
Используя тонкие иглы, они аккуратно вручную извлекли зерна из отполированного образца, а затем с помощью метода рентгеновской дифракции на монокристаллах определили расположение атомов внутри каждого из них.
Три сравниваемых образца имели простую объемно-центрированную кубическую структуру, характерную для обычной стали.
Этот образец под них не подходил.
Это было решающее наблюдение.
«Новизна, — пояснил Бинди, — заключается в этом специфическом сочетании химического состава и кристаллической структуры, которое не соответствует известным промышленным сплавам или ранее описанным продуктам взрывных работ».
Сплав определяется не только его компонентами; важно также, как расположены эти атомы. Два материала, содержащие в целом схожие элементы, могут иметь совершенно разные свойства в зависимости от их кристаллической структуры. Именно поэтому сочетание химии и структуры определило новизну нового сплава.
Рентгеновская дифракция показала, что вместо простой объемно-центрированной кубической структуры, обнаруженной в сравниваемых зернах, атомы в богатом кремнием зерне занимают гораздо более сложную, высокоупорядоченную кубическую структуру, называемую структурой типа AlAu₄, производной от структуры бета-марганца.
Исследователи полагают, что оно образовалось в условиях интенсивного ядерного взрыва — сконденсировалось из металлического пара, а затем чрезвычайно быстро остыло. В более обычных условиях сконденсированная масса имела бы более простую структуру, поскольку остывала бы медленнее.
Вместо этого сплав оказался заперт в гораздо более сложной конфигурации, прежде чем смог принять более стабильную форму.
И это может быть не таким уж необычным явлением для радиоактивных осадков. Ранее в этом году другая группа исследователей под руководством Бинди обнаружила ранее неизвестный клатрат в обломках испытания «Тринити», проведенного в июле 1945 года.
«Эти открытия позволяют предположить, что обломки от исторических взрывов могут содержать целую популяцию редких метастабильных фаз, многие из которых скрыты в зернах размером всего в несколько микрометров и поэтому легко могут быть пропущены», — сказал Бинди.
Это означает, что обломки, оставшиеся в пепле ядерных взрывов, могут содержать микроскопическую библиотеку материалов, о существовании которых мы пока не знаем, образованных в условиях настолько экстремальных и мимолетных, что их было бы трудно воспроизвести преднамеренно.
Но важно не забывать, как они были созданы – глубокую боль от обнаружения ранее неизвестного материала внутри обломков одной из величайших трагедий человечества.
«Это напряжение всегда присутствует», — сказал Бинди. «С научной точки зрения этот материал необычайно ценен, но его нельзя отделить от человеческой катастрофы, которая его породила; поэтому к этой работе следует подходить со смирением, уважением и ясным осознанием того, что научные знания здесь происходят из останков огромных страданий».
