Уникальный квазикристалл, образовавшийся при ударе молнии, нарушает законы физики: секрет фульгурита
Трубка «ископаемой молнии» из Сандхиллз в Небраске содержит редкий тип квазикристалла, который раньше находили только в метеоритах и на полигонах для испытаний атомных бомб.
Квазикристаллы — это материалы, которые нарушают традиционные законы кристаллографии. До того, как о них впервые сообщили в 1984 году, ученые думали, что материалы могут быть либо кристаллическими — с симметричными повторяющимися узорами — либо аморфными, то есть беспорядочно расположенными и беспорядочными. Кроме того, ученые считали, что кристаллы могут быть симметричными лишь ограниченное число раз при вращении вокруг оси — два, три, четыре или шесть раз.
Квазикристаллы не соответствуют этим правилам. Они собраны в упорядоченный шаблон, но этот шаблон повторяется. У них также есть вращательная симметрия, которой не может достичь ни один обычный кристалл. Например, квазикристалл с икосаэдрической симметрией может проявлять пятикратную симметрию вокруг шести различных линий вращения.
Квазикристаллы были впервые обнаружены в лаборатории. Однако в 2012 году Пол Стейнхардт, физик-теоретик из Принстонского университета, и Лука Бинди, геолог из Флорентийского университета в Италии, объявили об открытии природного квазикристалла в метеорите, упавшем на полуострове Камчатка. Затем исследователи создали в лаборатории больше квазикристаллов, имитируя высокие температуры и давление, которые могут возникнуть при столкновении скальных тел. После они обратились к другому месту, где произошел очень быстрый переход к высокой температуре и высокому давлению: испытательному полигону атомной бомбы Тринити в Нью-Мексико. Там они нашли больше квазикристаллов в минералах из-под того места, где взорвалась атомная бомба.
«По этой причине я начал думать о других материалах, образовавшихся в аналогичных условиях. И я подумал о фульгуритах, которые появляются при ударах молнии», — отметил Бинди.
Созидающий разряд
Фульгуриты образуются, когда молния ударяет в песок, сплавляя песчинки вместе в корявую разветвленную стеклянную трубку. Бинди собрал несколько фульгуритов в поисках квазикристаллов. Тот, в котором содержалась эта редкая форма материи, прибыл из Сандхиллз в Небраске, недалеко от деревни Хайаннис. Этот район Небраски состоит из покрытых травой песчаных дюн.
Фульгурит был найден рядом с линией электропередач, которая обрушилась во время шторма в 2008 году. В общей сложности он был около 2 метров в длину и до 8 сантиметров в диаметре. Никто не был свидетелем этого события, поэтому исследователи не уверены, ударила ли молния в линию электропередачи и создала фульгурит, или же линия опустилась на ветру и создала фульгурит собственным электрическим разрядом.
В любом случае полученное «разветвленное стекло» содержало смесь материалов из песка и металлов в электрической линии, включая марганец, кремний, хром, алюминий и никель. Чтобы объединить эти материалы, температура песка должна была ненадолго достичь порога в 1710 градусов по Цельсию, о чем исследователи сообщили в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Охота за квазикристаллами
Используя сканирующий электронный микроскоп, Бинди, Стейнхардт и их коллеги обнаружили 12-гранный 12-угольный кристалл с 12-кратной симметрией, встроенный в фульгурит. Исследователи написали в своей статье, что квазикристаллы с такой симметрией встречаются даже реже, чем квазикристаллы в целом; квазикристаллы с 10-кратной симметрией или икосаэдрической симметрией более распространены.
По словам Бинди, это открытие указывает на новые места для поиска природных квазикристаллов.
«Наша находка демонстрирует, что переходные экстремальные условия давления и температуры подходят для синтеза квазикристаллов», — пишет Бинди. По его словам, другими потенциальными местами для поиска квазикристаллов могут быть ударные стекла, образовавшиеся при столкновении с Землей больших метеоритов или астероидов, или участки поверхности Луны, на которые упали астероиды.