Итальянский геолог Лука Бинди с коллегами обнаружил внутри микроскопической стеклянной сферулы из песка Хиросимы сплав, чья кристаллическая структура прежде была не известна. Результат исследований только что опубликован в авторитетном издании Science Advances, и это куда более занятная история, чем просто «нашли осколок бомбы».
Сферулы такого рода называют хиросимаитами — застывшие капли расплава, которые образовались 6 августа 1945 года, когда над городом взорвалась атомная бомба. Огненный шар за доли секунды разогрелся выше 7000 градусов Цельсия и превратил в плазму бетон, сталь, алюминиевые конструкции, медную проводку, стекло, грунт и воду. При остывании эта смесь конденсировалась в стеклянные капли с металлическими вкраплениями, которые осели по всему разрушенному городу и десятилетиями пролежали в песке бухты Хиросимы.
Команда Бинди изучила 34 такие сферулы электронной микроскопией (метод, где вместо света используют пучок электронов, что позволяет видеть структуру вещества до нанометров и даже отдельных атомов), микрозондовым анализом и рентгеновской дифракцией. В одной нашлось зерно размером в несколько микрометров — сопоставимо с эритроцитом человека, — где видны железо (около 60%), хром (15%), кремний (13%) и меньшие доли никеля, марганца, молибдена и алюминия. Атомы в нем выстроены в однородную кубическую решетку упорядоченного типа AlAu4 (это производная от структуры бета-марганца). Обычно такая смесь металлов стабилизируется в более простую фазу с меньшим числом компонентов. Здесь же экстремальные условия создали сложную упорядоченную форму.
Механизм образования сплава авторы описывают как конденсацию из смешанного металлического пара с последующей ультрабыстрой закалкой прямо в расширяющемся огненном шаре. По сути, каждая капля расплава сработала как отдельный микрореактор, который поймал локальный состав вещества в момент застывания и не дал атомам разойтись по простым решеткам, как это происходит при обычной плавке в металлургии.
Это не первый случай, когда ядерный взрыв рождает нечто подобное. В 2021 году та же команда нашла в обломках первого испытания «Тринити» в Нью-Мексико (1945 год) квазикристалл — кремний-медно-кальциево-железную решетку с пятилучевой симметрией, невозможной для обычных кристаллов. Это оказался первый квазикристалл, синтезированный человеком, пусть и случайно. Позже, уже в этом году, в том же образце красного тринитита нашли клатрат — решетку из кальция, меди и кремния с полостями, способными удерживать другие атомы внутри. Хиросимский сплав добавляет третий класс материалов: не силикатный клатрат и не квазикристалл, а многокомпонентный металлический сплав, близкий по духу к так называемым высокоэнтропийным сплавам (HEA — соединениям из пяти и более основных металлов в сопоставимых долях). При этом его структура через бета-марганец концептуально соседствует с миром квазикристаллов.
За восемь десятилетий ядерных испытаний ничего похожего не находили ни в Неваде, ни на Семипалатинском полигоне, ни на тихоокеанских атоллах в основном по одной причине — искать начали совсем недавно. До 2021 года никто всерьез не предполагал, что взрыв способен создавать упорядоченные экзотические фазы, и микровключения в тысячах образцов десятилетиями лежали в архивах как обычное стекло. Как только команда Бинди показала квазикристалл в тринитите, стало ясно, что сферулы стоит целенаправленно просвечивать рентгеном именно в поисках таких структур. И метод сразу принес результат уже на втором обследованном полигоне. К этому добавляется и то, что у каждого взрыва свои высота подрыва и мощность, а значит и свой путь по давлению, температуре и времени охлаждения. «Тринити» подорвали на тридцатиметровой башне, мощность взрыва около 21 килотонны, и огненный шар плотно контактировал с пустынным грунтом. Хиросимскую бомбу взорвали в воздухе на высоте около 600 метров при меньшей мощности — ради максимального радиуса ударной волны, — и контакт с землей вышел не таким тесным.
Аналоги тринитита при этом существуют не только в США. На Семипалатинском полигоне в Казахстане, где Советский Союз провел более четырехсот испытаний, свою версию расплавленной породы называют харитончиками — в честь физика Юлия Харитона. Это пористые черные обломки с мест взрывов, и похожий материал встречается также в Неваде и в Алжирской пустыне, где его иногда именуют обобщенным термином «атомсайт». Никто пока не разбирал эти образцы под микроскопом на предмет экзотических металлических фаз так подробно, как хиросимские и трините-сферулы, а значит находка Бинди может оказаться не последней.
Практических выводов делать пока рано. У найденного зерна почти не измерены прочность, термостойкость или коррозионная стойкость. Образец слишком мал, и статья сосредоточена на кристаллографии и происхождении, а не на инженерных испытаниях. Ближайший из известных лабораторных аналогов по составу — сплав железа, хрома, никеля, кремния и алюминия, который получают дуговой плавкой, но там решетка иная: жесткая кубическая основа вперемешку с игольчатыми частицами другой формы. Тогда как хиросимское зерно целиком упорядочено в одну фазу. По составу сплав в целом близок к семейству нержавеющих сталей с добавкой кремния, а многокомпонентные системы такого рода давно изучают как высокоэнтропийные сплавы — класс материалов, который уже применяют в аэрокосмической отрасли, энергетике и медицинских имплантатах именно за сочетание прочности, термостойкости и устойчивости к коррозии.
Наладить производство именно этой фазы в промышленных масштабах в обозримом будущем маловероятно. Фаза метастабильна и держится только за счет ультрабыстрой закалки из смешанного металлического пара — условия, которое обычная плавка и литье попросту не создают. Ближайший путь к воспроизведению — методы вроде импульсного лазерного напыления или ударного сжатия, а не классическая печь и разливка металла. Даже обычные высокоэнтропийные сплавы, которые в лабораториях делают давно и успешно, с трудом выходят на массовое производство: сырье сразу из пяти-семи металлов и сложность контроля фаз держат их дороже привычной стали, и это без всякой ультрабыстрой закалки из пара.
Цену такому материалу назвать невозможно в принципе — рынка для него просто нет. Речь идет об одном зерне в несколько микрометров внутри единственного образца, а не о партии металла. Для сравнения: обычный зеленый тринитит с пустыни Аламогордо коллекционеры покупают от 20 долларов за грамм и дороже, но и тот давно вне закона к сбору прямо с полигона — легально продают только куски, вывезенные до 1953 года, когда армия США закопала остатки взрыва бульдозерами. Хиросимский сплав в логику коллекционного рынка вообще не попадает: он существует только как объект научного исследования, задокументированный в кристаллографической базе данных, а не как товар.
Отдельная линия пользы у такой находки — ядерная криминалистика. Состав и структура застывшей капли кодируют информацию о материалах устройства, локальной среде и термохимических условиях в момент взрыва, а значит подобные фазы теоретически помогают реконструировать детали давних испытаний даже спустя десятилетия. Именно поэтому авторы статьи предлагают наладить систематическое, но этически и юридически регламентированное изучение обломков от экстремальных событий — не только ядерных взрывов, но и ударов метеоритов и молний, которые создают похожую по природе среду сверхбыстрого нагрева и охлаждения.
Из 34 изученных сферул нужную фазу нашли только в одной, и команда Бинди уже готовится и дальше просвечивать хиросимский песок в поисках подобных зерен.
