Különleges kristályt hagyott hátra a világ első atomrobbantása

A Trinity volt az első – csupán 21 kilotonnás – atomteszt, amelyet az emberiség elvégzett 1945. július 16-án. A történelmi bombateszt során egy különös üvegszerű ásvány is kialakult, amelyet később a bomba neve után trinititnek neveztek el.

Ez a kőzet önmagában is egyedülálló volt, az első mesterséges kőzet volt, amelyet az emberiség létrehozott. Mindössze 3 évvel a teszt után született első ásványtani leírása, és azóta is többször vizsgálták.

Milyennek is képzelhetjük el ezt a kőzetet? Az talán nem túl új információ, hogy a jelentősebb méretű becsapódó aszteroidák nyomán kőzetüvegek jönnek létre a becsapódás helyszíne környékén. Ilyen Közép-Európában a moldavit, amit a Nördlinger Ries becsapódás hozott létre 15 millió éve, vagy Afrikában az egyiptomi művészek által előszeretettel használt líbiai üveg.

Számos hasonló kőzetüveget ismerünk világszerte, ezek mind a rendkívül nagy hő és gyors lehűlés hatására jöttek létre. Az atombomba robbanása során is rendkívüli körülmények uralkodnak, így talán nem is szabad csodálkozni egy hasonló jellegű kőzetüveg kialakulásán.

A trinitit az Alamogordo környéki sivatagi talaj megolvadásával keletkezett, s ezen felül beleolvadtak az ásványba a bomba felfüggesztésében, működtetésében szerepet játszó anyagok is. A trinitit jórészt zöldes árnyalatú, néha pirosas vagy fekete is lehet.

A kőzetüvegben az üveg nem azt jelenti, hogy ez átlátszó anyag, hanem azt, hogy nincs szabályos kristályszerkezete, a létrejöttének speciális körülményei miatt. A robbanás tűzgömbjének külső hőmérséklete (kb. 8150 Celsius-fok) meghaladta a Nap felszíni hőmérsékletét is, a belsejében mérhető pedig a több tízmillió Celsius-fokot is.

Az atombomba tűzgömbjének nyomása a normál légköri nyomás több milliószorosa, néhány száz gigapascal volt, vagyis az atomrobbanás első pillanataiban akár a földmag legnagyobb nyomását is meghaladhatta a bombáé. Ezek az extrém értékek nem tartósan álltak fenn, hanem töredék másodpercekig, amikor a kezdeti tűzgömb még csak pár méteres átmérőjű lehetett. Ahhoz, hogy a trinitit kialakuljon, ennyire extrém helyzetre nem is volt szükség, elég volt néhány ezer Celsius-fok, és akkora nyomás, ami a talajról felemelte a talajról az ásvány „alapanyagait” a bomba tűzgömbjébe.

Egy olasz vezetésű nemzetközi kutatócsoport nemrégiben a trinitit ásvány belsejében azonosított egy eddig ismeretlen, szervetlen klatrátot. A klatrát egy különös kristályszerkezetet felöltő anyagtípus, amelynek alapanyag molekulái ketrec jellegűen elrendezettek, belül üresek, és ebbe az üres helybe bejutva egy másik molekula vagy atom csapdába esik, kémiai kötés nélkül.

A foglyul ejtett atom vagy molekula azonban fontos szerepet kap: stabilizálja a ketrec szerkezetét, fizikailag. Enélkül a ketrec instabil és előbb-utóbb összeroskad. A klatrátok szerepet kaphatnak az energetikában, félvezetőiparban vagy épp az egyes anyagok tárolásában, ezért mérnöki szempontból is izgalmas témát jelentenek.

A legismertebb ilyen anyag a metán-klatrát, amelyet a tengerek mélyén találunk. Ez utóbbi a hőmérsékletre és a környezeti nyomásra is különösen érzékeny. A klatrátok leggyakoribb formája az, amelynek a ketrec oldallapjait legfőképp ötszögek alkotják, ezt 1-es típusú klatrátnak nevezik. A metán-klatrát, és a most azonosított ásványi változat is ebbe a típusba tartozik, számolt be a Scientific American.

Ebben a klatrátban a ketrecet szilícium alkotja, a foglyul ejtett anyagot pedig kalciumatomok, ritkábban réz- és vasatomok jelentik. A robbanásban felolvadó homok, a rézkábelek, a bombát tartó torony anyaga és más szerkezeti elemek anyagai a hatalmas hőmérsékleti- és nyomáskörülmények között állhattak össze.

Normál esetben a szilícium az oxigénnel szeret társulni, ám a robbanás oxigénszegény környezete ezt nem tette lehetővé. Amint a felforrósodott és összekeveredett anyagok igen gyorsan hűlni kezdtek, a szilíciumatomok egyes pontokon felvették a klatrátra jellemző rácsszerkezetet. Az ezekbe beépült kalciumatomok stabilizálták is a szerkezeteket.

A kutatók kristálytani vizsgálataiból a rácsszerkezet alakja is kiderült: 12, illetve 14 oldalú testek jöttek létre, amelyek csúcsai a szilíciumatomok, a belsejükbe zárt réz, vas vagy kalciumatomokkal kiegészülten.

Egy néhány évvel korábbi felfedezés során úgynevezett kvázikristályt találtak a trinitit e vörös változatában. Az akkor felfedezett különleges anyag összetétele és a most felfedezett klatráté azonos, ezek ugyanazon rendkívüli körülmények szülöttei, de a kutatók modellszámításai szerint a kialakulásuk nincs közvetlen kapcsolatban.

Eddig efféle kvázikristályt (ez félig rendezett szerkezetű, belső ismétlődések nélküli anyagszerkezet) meteoritban találtak csupán, amelyről úgy vélik, hogy a Naprendszer hajnalán két égitest nagy energiákkal járó ütközése során jöhetett létre. A kvázikristályokat Dan Shechtman jóvoltából 1982 óta ismerjük, a felfedezésüket 2011-ben azután Nobel-díjjal is jutalmazták.