Bij de eerste atoombomtest werd een nieuw quasi-kristal gevormd

In een oogwenk vernietigde de bom alles.

De toren waarop hij zat en de koperen draden eromheen: verdampt. Het woestijnzand eronder: gesmolten.

In de nasleep van de eerste test van een atoombom, in juli 1945, smolt al dit puin samen, waardoor de grond van de testlocatie in New Mexico bedekt was met een glasachtige substantie die nu trinitiet wordt genoemd. Hoge temperaturen en drukken hielpen bij het smeden van een ongebruikelijke structuur in één stuk trinitiet, in een korrel van het materiaal met een doorsnede van slechts 10 micrometer – iets langer dan een rode bloedcel.

Dat graan bevat een zeldzame vorm van materie die een quasi-kristal wordt genoemd, geboren op het moment dat het nucleaire tijdperk begon, rapporteren wetenschappers 17 mei in Proceedings of the National Academy of Sciences.

Normale kristallen zijn gemaakt van atomen opgesloten in een rooster dat zich herhaalt in een regelmatig patroon. Quasicrystals hebben een structuur die net zo ordelijk is als een normaal kristal, maar dat herhaalt zich niet. Dit betekent dat quasi-kristallen eigenschappen kunnen hebben die voor normale kristallen verboden zijn. Quasi-kristallen werden voor het eerst ontdekt in het laboratorium in de jaren tachtig en komen ook in de natuur voor in meteorieten (SN: 12/8/16).

Het nieuw ontdekte quasi-kristal van de testsite in New Mexico is het oudste bekende dat door mensen is gemaakt.

Trinitiet ontleent zijn bijnaam aan de nucleaire test, genaamd Trinity, waarin het materiaal in overvloed werd gecreëerd (SN: 4/8/21). “Je kunt er nog steeds veel op eBay kopen”, zegt geofysicus Terry Wallace, co-auteur van de studie en emeritus-directeur van Los Alamos National Laboratory in New Mexico.

Maar, merkt hij op, de trinitiet die het team bestudeerde, was een zeldzamere variëteit, rode trinitiet genaamd. Het meeste trinitiet heeft een groenachtige tint, maar rood trinitiet bevat koper, overblijfselen van de draden die zich uitstrekten van de grond tot aan de bom. Quasicrystals worden meestal aangetroffen in materialen die een gewelddadige impact hebben ondervonden en waarbij meestal metalen zijn betrokken. Rode trinitiet voldoet aan beide criteria.

Maar eerst moest het team er een paar vinden.

“Ik was maandenlang aan het rondkijken op zoek naar rode trinitiet”, zegt theoretisch natuurkundige Paul Steinhardt van Princeton University. Maar Steinhardt, die bekend staat om zijn trektochten naar Siberië om quasi-kristallen te zoeken, werd niet afgeschrikt (SN: 19/02/19). Uiteindelijk kreeg mineraloog Luca Bindi van de Universiteit van Florence wat van een expert in trinitite, die met het team begon samen te werken. Toen begon het moeizame werk, waarbij Bindi “door elk microscopisch klein stipje keek” van het trinitietmonster, zegt Steinhardt. Ten slotte haalde Bindi het kleine graan eruit. Door er röntgenstralen doorheen te verstrooien, onthulden de onderzoekers dat het materiaal een soort symmetrie had die alleen in quasi-kristallen voorkomt.

Het nieuwe quasi-kristal, gevormd uit silicium, koper, calcium en ijzer, is “gloednieuw voor de wetenschap”, zegt mineraloog Chi Ma van Caltech, die niet bij het onderzoek betrokken was. “Het is een heel coole en opwindende ontdekking”, zegt hij.

Toekomstige zoekopdrachten naar quasi-kristallen zouden andere materialen kunnen onderzoeken die een zware klap hebben ondergaan, zoals inslagkraters of fulgurieten, versmolten structuren die worden gevormd wanneer de bliksem de grond raakt (SN: 16/03/21).

De studie toont aan dat artefacten vanaf de geboorte van het atoomtijdperk nog steeds van wetenschappelijk belang zijn, zegt materiaalwetenschapper Miriam Hiebert van de Universiteit van Maryland in College Park, die materialen van andere cruciale momenten in de nucleaire geschiedenis heeft geanalyseerd (SN: 1/5/19). “Historische objecten en materialen zijn niet alleen curiosa in verzamelkasten, maar kunnen ook van echte wetenschappelijke waarde zijn”, zegt ze.