В песке у берегов Хиросимского залива нашли микроскопический кусочек металла, который не встречался ни в природе, ни в лабораториях. Сплав появился во время атомной бомбардировки 1945 года, когда температура на короткое время достигла уровня поверхности Солнца , а расплавленные и испарившиеся вещества смешались в условиях, которые почти невозможно воспроизвести обычным экспериментом.
Необычную частицу обнаружили среди мелких обломков, собранных на пляжах залива. Размер зерна составлял всего несколько микрометров, однако его внутренняя структура сохранила след процессов, продолжавшихся доли секунды. Эти частицы нельзя считать обычными оплавленными остатками. Их состав и расположение атомов показывают, что происходило с веществом сразу после взрыва.
Ядерный взрыв воздействует на окружающую среду примерно так же, как удар молнии или падение метеорита, но высвобождает гораздо больше энергии. Воздух и поверхность мгновенно нагреваются, материалы плавятся и испаряются, а затем столь же быстро остывают. Металлы, минералы, бетон, почва и другие вещества переходят в газообразное состояние, смешиваются и конденсируются в новых сочетаниях.
При обычном охлаждении атомы успевают выстроиться в наиболее устойчивую структуру. После атомного взрыва на перестройку почти не остаётся времени. Каждая крошечная капля расплава остывает отдельно, поэтому в одном облаке могут одновременно возникать тысячи или миллионы микроскопических вариантов вещества. Большинство быстро превращается в знакомые минералы и сплавы, но отдельные частицы сохраняют редкие атомные конфигурации.
Найденный в Хиросиме материал состоит главным образом из железа, хрома, никеля, марганца, молибдена, кремния и алюминия. В сплаве присутствуют и другие элементы, однако перечисленные компоненты образуют основу. Атомы равномерно распределены внутри сложной кубической решётки, то есть повторяющейся трёхмерной структуры с кубической симметрией.
Такая смесь обычно разделяется на несколько более простых фаз. Одни элементы собираются в одной области, другие формируют отдельные кристаллы, а итоговая структура содержит меньше компонентов. В частице из Хиросимского залива множество элементов осталось внутри единой однородной решётки. Ни природные образцы, ни искусственно полученные материалы с такой композицией прежде не описывали.
Редкий сплав возник не потому, что его элементы сами по себе необычны. Железо, никель, хром и остальные компоненты широко применяются в металлургии. Необычным оказалось их сочетание и расположение атомов. Мгновенное нагревание перемешало вещества, а резкое охлаждение заморозило структуру раньше, чем она успела перейти в более устойчивое состояние.
Физики называют подобные состояния метастабильными. Материал не находится в самой выгодной с точки зрения энергии конфигурации, но сохраняет форму, потому что атомам не хватает условий для перестройки. Для получения метастабильных веществ в лабораториях используют быстрое охлаждение, высокое давление, лазерные импульсы и другие методы. Последствия ядерного взрыва создают намного более резкие перепады температуры и давления.
Экстремальные события уже оставляли после себя неизвестные науке вещества. После испытания первой атомной бомбы Trinity в июле 1945 года на поверхности пустыни образовался тринитит, стекловидный материал из расплавленного песка, компонентов бомбы и окружающих конструкций. Внутри тринитита позднее нашли необычный клатратный кристалл с каркасной структурой и квазикристаллы .
Квазикристаллы долго считались невозможными. В обычном кристалле атомный узор периодически повторяется, как клетки на ровной решётке. Квазикристалл сохраняет строгий порядок, но не повторяет один и тот же фрагмент через равные промежутки. Такие структуры обнаруживали в продуктах ядерных испытаний и метеоритах, переживших сильнейшие удары и нагрев.
Хиросимский сплав не относится к квазикристаллам. Его атомы образуют периодическую кубическую решётку. Однако некоторые элементы внутреннего устройства напоминают локальные фрагменты, которые встречаются в квазипериодических материалах. Изучение нового сплава может помочь понять, как сложные атомные сочетания возникают и сохраняются при резком охлаждении.
Находка поднимает более широкий вопрос: представляет ли частица единичную редкость или относится к целому классу веществ, которые появляются только во время катастрофических событий. Обычные лабораторные условия рассчитаны на контроль и постепенное изменение температуры, давления и состава. Взрывы, удары метеоритов и молнии создают хаотичную среду, где десятки веществ смешиваются за доли секунды.
Аналогичные места могут скрывать материалы, которые трудно получить целенаправленно. Учёные обычно ищут новые соединения, подбирая состав, температуру и давление заранее. Экстремальное событие запускает огромное число случайных комбинаций одновременно. Каждая микроскопическая капля проходит собственный путь нагревания и охлаждения, поэтому даже соседние частицы могут иметь разную структуру.
Атомные обломки сохраняют не только химический состав, но и сведения о самом взрыве. По форме кристаллов, распределению элементов и фазовым переходам можно судить о скорости охлаждения, температуре и взаимодействии испарившихся материалов. Микроскопическое зерно превращается в своеобразную запись условий, которые существовали слишком недолго для прямого измерения.
Исследователям предстоит проверить другие частицы из Хиросимского залива и материалов, связанных с ядерными испытаниями. Если похожие сплавы обнаружатся в нескольких образцах, находка укажет на общий механизм образования сложных метастабильных структур. Те же закономерности могут работать при падении метеоритов , ударах молний и других событиях, где вещество переживает мгновенный нагрев и быстрое охлаждение.