Kernontploffingen ontketenen een verbazingwekkende hoeveelheid vernietigende kracht. Maar de extreme druk en temperatuur die ze genereren, maken nucleaire explosies ook tot een ketel van chemische creatie, nieuwe en verrassende wetenschappelijke ontdekkingen kunnen opleveren.

In de jaren vijftig, bijvoorbeeld, wetenschappers die puin van Amerikaanse waterstofbomtests onderzochten, vonden twee nieuwe elementen, die nu de nummers 99 en 100 in het periodiek systeem bezetten. Ze noemden ze naar vooraanstaande nucleaire wetenschappers:einsteinium voor Albert Einstein, en fermium voor Enrico Fermi.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers die door puin ziften op de plaats van de allereerste ontploffing van een atoombom - gehouden in New Mexico in juli 1945 en de Trinity-test genoemd - hebben een andere chemische eigenaardigheid opgegraven. In hun krant de onderzoekers melden de ontdekking van een voorheen onbekend type "quasikristal" - een kristalformatie die ooit voor onmogelijk werd gehouden vanwege de onregelmatige geometrische structuur.

Wat zijn quasikristallen?

Quasikristallen werden voor het eerst ontdekt door materiaalwetenschapper Dan Schechtman in 1984, maar werden aanvankelijk als zeer controversieel gezien - zelfs onmogelijk - omdat hun unieke vorm niet is toegestaan ​​​​door de regels die kristalstructuren definiëren.

Kristallen zijn samengesteld uit eenheden die periodiek in drie dimensies worden herhaald. Een goede manier om hierover na te denken, is door ze in twee dimensies voor te stellen. U kunt een vloer betegelen met bepaalde geometrische vormen, zoals vierkanten, driehoeken en zeshoeken - omdat ze mozaïeken, wat betekent dat ze in een herhalend patroon aan elkaar kunnen worden geschoven zonder overlappingen of openingen. Je kunt dit niet doen met vijfhoekige of zevenhoekige tegels. Ze kunnen niet worden gemodereerd, zodat ze onregelmatige gaten op uw vloer achterlaten.

Driedimensionale kristalstructuren houden zich aan dezelfde regel. De zich herhalende eenheden rangschikken zich natuurlijk in een regelmatig patroon en vullen alle beschikbare ruimte op. Een zeshoekige opstelling, bijvoorbeeld, is een typische kristalstructuur.

De algemene regel is dat kristallen herhalende eenheden moeten hebben met 2-voudige, 3-voudig, 4-voudige of 6-voudige assen. Hier, "vouwen" betekent hoe vaak u de driedimensionale kristaleenheid kunt draaien zodat deze er hetzelfde uitziet als de startpositie - waardoor mozaïekpatroon mogelijk wordt. De regel houdt in dat kristaleenheden met een 5-voudige as (vijfhoekig) of iets 7-voudig en hoger (zevenhoekig en daarbuiten) niet zullen mozaïeken, en kan daarom niet bestaan.

Penrose tegels

Deze regel gold tot 1974, toen de Britse wiskundige fysicus Roger Penrose een manier vond om een ​​tweedimensionale ruimte als een vloer te bedekken met vormen die zich niet periodiek herhalen - een vorm van mozaïekpatroon die nu "Penrose-tegels" wordt genoemd.

Deze ideeën werden al snel toegepast op driedimensionale structuren, en het was in 1984 dat Schechtman zijn experimentele werk over quasikristallen publiceerde. Zijn ontdekking leverde hem in 2011 de Nobelprijs voor Scheikunde op.

Sindsdien zijn er meer dan 100 soorten quasikristal ontdekt, hoewel ze bijna allemaal in het laboratorium zijn geproduceerd. Drie uitzonderingen, gevonden in de Khatyrka-meteoriet in het noordoosten van Rusland, kan dateren uit het begin van ons zonnestelsel. En nu is er nog een, dat is het oudste bestaande quasikristal dat is geproduceerd - zij het per ongeluk - als gevolg van menselijke activiteit.

Nieuw quasikristal

Het nieuwe quasikristal werd gevonden in een glasachtig materiaal genaamd rode trinitiet, die de wetenschappers afkomstig van de plaats van de nucleaire explosie in 1945. De trinitiet werd gevormd op het moment van de ontploffing van de Trinity-test, toen het woestijnzand van New Mexico in de lucht werd gegooid en tot 8 werd verwarmd, 000°C voordat het neerregent als nieuw gesynthetiseerd trinitiet.

Dit nieuwe quasi-kristal is icosahedraal - met 20 vlakken - en is gestructureerd met 2-voudige, 3-voudige en 5-voudige symmetrieassen. Dit betekent dat er drie specifieke perspectieven van deze complexe 3D-structuur zijn die identiek worden herhaald wanneer deze wordt geroteerd:één wordt twee keer herhaald, een drie keer, en de andere vijf keer. Het is de 5-voudige as - zoals de tweedimensionale vijfhoek waarvan we weten dat die niet kan worden weergegeven - wat betekent dat het monster een quasikristal is.

Het is ook een uniek exemplaar, omdat het quasikristal silicium heeft, calcium en koper in zijn samenstelling. het koper, die de trinitiet zijn rode tint geeft, is waarschijnlijk zijn weg naar het quasikristal gevonden via een reeks transmissielijnen die dicht bij de plaats van de bomtest liepen en samen met het zand werden verdampt bij detonatie.

Leren van quasikristallen

praktisch, materiaalwetenschappers onderzoeken de toepassing van quasikristallen om hun slechte warmtegeleiding te benutten, wat mogelijk verband houdt met hun niet-periodieke structuren. Ze zijn al gebruikt als coating in koekenpannen met antiaanbaklaag, bijvoorbeeld. Andere voorgestelde toepassingen zijn onder meer LED-verlichting en chirurgische instrumenten, maar hun ontwikkeling bevindt zich nog in een vroeg stadium.

Maar als er meer van deze kristallografische en chemische curiositeiten worden gevonden in het puin dat is achtergelaten door atoombomproeven, het bestuderen van hun samenstelling zou wetenschappers ook kunnen helpen de woeste krachten te begrijpen die in het hart van kernexplosies spelen - een plaats die nog geen wetenschappelijk instrument rechtstreeks heeft gemeten.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.