Trinitit - první lidmi vytvořený kvazikrystal

Co je to kvazikrystal? Exotický materiál, který vznikl na místě exploze první atomové bomby, byl pojmenován právě po ní - trinitit. (délka blogu 5 min.) 

Historicky první atomová bomba (Triniti) explodovala 16. července 1945 na jaderné střelnici USA v jižní části Nového Mexika. 

Bomba byla namontovaná na železné konstrukci. Měděné kabely obstaraly spojení s odpalovacím střediskem. Při explozi se podle očekávání uvolnilo obrovské množství energie.  Lokálně došlo k zahřátí celé blízké lokality až na 8430 stupňů. Tlak měl dosáhnout 8 gigapascalů, ukázaly pozdější výpočty. To jsou hodnoty, které mohou směle konkurovat například dopadu meteoritu. Pouštní písek se v okruhu 350 metrů doslova roztavil. Když teplota znovu klesla, ztuhl tekutý materiál a vytvořil slabě radioaktivní hmotu, ve které se dají nalézt chemické stopy jak bomby samotné (uran), tak podpůrné věžičky a měděných kabelů. 

Látka dostala jméno podle atomové bomby - trinitit. 

Podobný materiál se mimochodem nachází také na místě, kde explodovaly sovětské atomové bomby. Sovětská varianta se ovšem jmenuje charitončikit. 

První uměle vzniklý kvazikrystal 

To, že v podobných podmínkách vzniká křemíková tavenina, není až tak překvapivé. Existují dokonce i přírozeně vzniklé materiály, které mají podobnou strukturu. Vznikají například při úderu blesku do pouštního písku. Říká se jim fulgurity. Vypadají jako trubičky nebo tyčky, které se na první pohled nevysvětlitelným způsobem objevily v oblasti plné sypkého písku. 

V materiálu, který po sobě zanechala exploze bomby Trinity, ale vědci nedávno objevili exotickou raritu - první uměle vzniklý kvazikrystal. 

Objev je o to významnější, že se zde jedná o kvazikrystal s historickou hodnotou. Zároveň je to nejstarší uměle vytvořený materiál takového typu. 

Jedná se o látku, která má chemické složení Si61Cu30Ca7Fe2. Má tedy složitou strukturu, obsahující 61 atomů křemíku, vázaných na 30 atomů mědi, 7 atomů vápníku a dva atomy železa. 

Podobně exotické materiály jsou velice vzácné - jedná se snad dokonce o jediný, který má jako základ křemík. Nejspíš vás tedy také nepřekvapí, že se objev kvazikrystalů neobešel bez problémů, odporovaly totiž definici, kterou do té doby věda označovala krystalickou látku. 

Kvazikrystal

je pevná látka, jejíž struktura je uspořádaná, na rozdíl od klasických krystalů není ale takové uspořádání periodické. Kvazikrystaly ovšem nejsou podobné ani amorfním materiálům, které mají strukturu a rozmístění atomů a molekul je v jejich nitru náhodné.

Uspořádání kvazikrystalů tedy není nahodilé. Dají se v nich objevit určitá pravidla, například rotační symetrie. Prakticky to znamená, že se stejný úsek se stejným uspořádáním v krystalu opakuje, je ovšem pootočen o určitý úhel. Tento jev poněkud připomíná tzv. Penroseovo dláždění s jeho pětičetnou osou symetrie. 

Dan Shechtman a objev kvazikrystalů

Ne že by byl vyloženě první, kdo si podivné struktury pod mikroskopem všiml. Dan Shechtman byl ale první, kdo trval na tom, že se nejedná o chybu v provedení pokusu, omyl nebo nesprávné vyhodnocení vzorku. Dostalo se mu nejen skepse kolegů, ale také posměchu. Dvojnásobný nositel Nobelovy ceny Linus Pauling se dokonce na jeho adresu vyjádřil větou: “Neexistují žádné kvazikrystaly. Existují jen kvazivědci.” Pokus o publikaci jevu skončil v roce 1984 fiaskem, když renomovaný časopis Physical Review Letters odmítl jeho práci otisknout. 

Situace se změnila až časem, kdy se víc a víc kolegů začalo přiznávat k tomu, že podobné struktury vlastně už také viděli. Považovali je ale za pochybné a daný pokus za zkažený. Až v roce 1992 akceptovala vědecká komunita, že kvazikrystaly skutečně existují. V roce 2011 obdržel úporný vědec za jejich objev - Nobelovu cenu za chemii. 

Patří budoucnost kvazikrystalům? 

V přírodě byl zatím nalezen jen jediný kvazikrystalický minerál - má jméno Ikosaedrit. Jedná se o hliníkovou,  měděnou a železnou slitinu s chemickým vzorcem Al63Cu24Fe13. Pochází z ruské Čukotky. 

Kvazikrystaly se zatím zasloužily o lepší vlastnosti oceli. Zvyšují pevnost, kujnost a odolnost proti korozi. Vylepšují také hliníkové slitiny. Těm pro změnu zlepšují pevnost při vysokých teplotách. 

Kvazikrystaly mají díky své extrémní struktuře extrémní vlastnosti. Velice špatně vedou teplo nebo elektrický proud. 

Jsou velice pevné, zato ale také extrémně křehké. Coby kompaktní materiál jsou tedy nepraktické. Mohou se z nich ale dělat povlaky na různé povrchy - slabá vrstvička kvazikrystalů jako taková už křehká není. 

Nejvíce známých kvazikrystalů bylo objeveno ve slitinách kovů. Přitom jsou takové kvazikrystalické stavy nestabilní, vytvářejí se při rychlém ochlazení slitiny a při následném opětovném zahřátí tato exotická struktura mizí a vytváří běžné stabilní krystaly. 

Kvazikrystal v trinititu

Nově objevená látka, která se nachází v materiálu, který je pozůstatkem prvního jaderného pokusu, má velikost jen několik mikrometrů a je uzavřena v kapičce mědi. Ta byla nalezena v červené tavenině písku a mědi - a vznikla ve chvíli, kdy teplo exploze roztavilo pouštní písek v oblasti testu. 

Většinou je trinitit nazelenalá, sklovitá hmota z taveného křemene a živce. Ovšem ty části kdysi roztavené hmoty, které obsahují velké množství kovů z odpařené infrastruktury, mohou mít  červenou barvu - především pokud obsahují větší množství mědi. 

Látka má pětinásobnou osu symetrie. Tím se výrazně liší od přírodních a běžných krystalů. Ty vykazují dvou-, tří-, čtyř- nebo šestinásobnou osu symetrie. Jedná se tedy o kvazikrystal - a to první, jaký kdy lidstvo vytvořilo. 

Zdroje: https://www.pnas.org/content/118/22/e2101350118