Die Probe aus rotem Trinitit, die den Quasikristall enthielt. (Bindi et al., PNAS, 2021) Am Morgen des 16. Juli 1945 um 5:29 Uhr wurde im Bundesstaat New Mexico ein schreckliches Stück Geschichte geschrieben.
Die Morgenstille wurde unterbrochen, als die US-Armee ein Plutonium-Implosionsgerät namens „Gadget“ zur Detonation brachte – der weltweit erste Test einer Atombombe, bekannt als Trinity-Test. Dieser Moment würde die Kriegsführung für immer verändern.
Die freigesetzte Energie, die 21 Kilotonnen TNT entspricht, verdampfte den 30 Meter hohen Testturm und kilometerlange Kupferdrähte, die ihn mit Aufzeichnungsgeräten verbinden. Der resultierende Feuerball verschmolz den Turm und das Kupfer mit dem Asphalt und dem Wüstensand darunter zu grünem Glas – einem neuen Mineral namens Trinitit.
Jahrzehnte später entdeckten Wissenschaftler ein Geheimnis, das in einem Stück dieses Trinitits verborgen war – einer seltenen Form von Materie, die als a bekannt ist Quasikristall , einst für unmöglich gehalten.
„Quasikristalle entstehen in extremen Umgebungen, die auf der Erde selten vorkommen.“ Geophysiker Terry Wallace vom Los Alamos National Laboratory erklärte letztes Jahr .
„Sie erfordern ein traumatisches Ereignis mit extremem Schock, extremer Temperatur und extremem Druck.“ „Das sehen wir normalerweise nicht, außer bei etwas so Dramatischem wie einer Atomexplosion.“
Die meisten Kristalle, vom einfachen Speisesalz bis zum härtesten Diamanten, gehorchen derselben Regel: Ihre Atome sind in einer Gitterstruktur angeordnet, die sich im dreidimensionalen Raum wiederholt. Quasikristalle brechen diese Regel – das Muster, in dem ihre Atome angeordnet sind, wiederholt sich nicht.
Als das Konzept 1984 erstmals in der wissenschaftlichen Welt auftauchte, dachte man, dass dies der Fall sei unmöglich : Kristalle waren entweder geordnet oder ungeordnet, ohne dazwischen. Dann wurden sie tatsächlich gefunden, beide in Laborumgebungen erstellt und in freier Wildbahn – tief im Inneren von Meteoriten , geschmiedet durch thermodynamischen Schock durch Ereignisse wie einen Hypergeschwindigkeitsaufprall.
Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung des Geologen Luca Bindi von der Universität Florenz in Italien wusste, dass für die Herstellung von Quasikristallen extreme Bedingungen erforderlich sind, und beschloss, Trinitit genauer zu untersuchen.
Aber nicht das grüne Zeug. Obwohl sie ungewöhnlich sind, haben wir genug Quasikristalle gesehen, um zu wissen, dass sie dazu neigen, Metalle zu enthalten. Deshalb machte sich das Team auf die Suche nach einer viel selteneren Form des Minerals – rotem Trinitit, das seinen Farbton durch die darin eingearbeiteten verdampften Kupferdrähte erhält.
Mithilfe von Techniken wie Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenbeugung analysierten sie sechs kleine Proben roten Trinitits. Schließlich bekamen sie einen Treffer in einer der Proben – einem winzigen, 20-eckigen Körnchen aus Silizium, Kupfer, Kalzium und Eisen mit einer fünffachen Rotationssymmetrie, die in herkömmlichen Kristallen unmöglich ist – eine „unbeabsichtigte Folge“ der Kriegstreiberei.
„Dieser Quasikristall ist großartig in seiner Komplexität – aber niemand kann uns bisher sagen, warum er auf diese Weise entstanden ist.“ Wallace erklärte im Jahr 2021, als die Forschung des Teams veröffentlicht wurde.
„Aber eines Tages wird ein Wissenschaftler oder Ingenieur das herausfinden, und die Waage wird von unseren Augen fallen, und wir werden eine thermodynamische Erklärung für seine Entstehung haben.“ Dann hoffe ich, dass wir dieses Wissen nutzen können, um nukleare Explosionen besser zu verstehen und letztendlich zu einem umfassenderen Bild davon zu gelangen, was ein Atomtest darstellt.“
Diese Entdeckung stellt den ältesten bekannten anthropogenen Quasikristall dar und legt nahe, dass es möglicherweise andere natürliche Wege für die Bildung von Quasikristallen gibt. Zum Beispiel, die Fulgurite aus geschmolzenem Sand, die durch Blitzeinschläge geschmiedet wurden und Material von Meteoriteneinschlagstellen könnten beide eine Quelle für Quasikristalle in freier Wildbahn sein.
Die Forschung könnte uns auch helfen, illegale Atomtests besser zu verstehen, mit dem letztendlichen Ziel, die Verbreitung nuklearer Waffen einzudämmen, sagten die Forscher. Die Untersuchung der an anderen Atomteststandorten gefälschten Mineralien könnte weitere Quasikristalle aufdecken, deren thermodynamische Eigenschaften ein Werkzeug für die Nuklearforensik sein könnten.
„Um die Atomwaffen anderer Länder zu verstehen, müssen wir ein klares Verständnis ihrer Atomtestprogramme haben“, sagte Wallace .
„Normalerweise analysieren wir radioaktive Trümmer und Gase, um zu verstehen, wie die Waffen gebaut wurden oder welche Materialien sie enthielten, aber diese Signaturen zerfallen.“ „Ein Quasikristall, der am Ort einer nuklearen Explosion entsteht, kann uns möglicherweise neue Arten von Informationen liefern – und sie werden für immer existieren.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in PNAS .