Uno strano materiale completamente nuovo è stato trovato tra i detriti del primo test atomico

Il test nucleare Trinity ha lasciato una forma di materia unica nel suo genere e ora gli scienziati hanno scoperto al suo interno una nuova struttura chimica
di Clara Moskowitz/Scientific American
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Circa 81 anni fa esplose la prima bomba nucleare. Il test Trinity, condotto nell’ambito del Progetto Manhattan nel deserto del New Mexico, fece esplodere una bomba al plutonio che sprigionò l’energia equivalente a 25 kilotoni di TNT. Quando il fungo atomico si dissolse, rimase una strana forma di materia simile al vetro, risultante dalla fusione della sabbia con i fili dei sensori vaporizzati. Gli scienziati la chiamarono trinitite.

Ora i ricercatori hanno identificato un nuovo materiale all’interno della trinitite chiamato clatrato: un reticolo chimico a forma di gabbia che intrappola al suo interno altri atomi.

“È un tipo di cristallo clatrato completamente nuovo, qualcosa che non si era mai visto prima in natura o nei prodotti di un’esplosione nucleare”, afferma Luca Bindi, geologo dell’Università di Firenze, in Italia, coautore di un nuovo studio che descrive in dettaglio la scoperta.

Questo strano materiale è il risultato di condizioni molto insolite. Durante l’esplosione di Trinity, la sabbia trascinata nella conseguente palla di fuoco è stata esposta a temperature superiori a 1500 gradi Celsius e a pressioni di diversi gigapascal – ovvero decine di migliaia di volte la normale pressione atmosferica, sufficienti a trasformare la grafite in diamante. La materia si è vaporizzata, mescolata e raffreddata in modo estremamente rapido, riorganizzandosi in nuove forme.

“Tutto questo è avvenuto in pochi secondi, quindi gli atomi non hanno avuto il tempo di disporsi in strutture stabili, portando alla formazione di materiali insoliti in stato di non equilibrio come questo”, afferma Bindi.

Il clatrato è stato trovato all’interno di una gocciolina metallica ricca di rame incastonata nella trinitite. Le forme a “gabbia” del clatrato sono dodecaedri a 12 lati e tetracaidecaedri a 14 lati costituiti da atomi di silicio, con atomi di calcio – e talvolta di rame e ferro – intrappolati al loro interno.

“Le condizioni estreme transitorie del test Trinity consentono la formazione di fasi metastabili che potrebbero non essere riscontrate negli esperimenti di laboratorio”, afferma G. Nelson Eby, geoscienziato all’Università del Massachusetts Lowell, che ha collaborato in precedenza con alcuni degli autori dello studio ma non ha partecipato a questa ricerca. “Si tratta di un’interessante novità nell’universo dei clatrati.”

Il cristallo clatrato non è l’unica novità chimica scoperta all’interno della trinitite. Nel 2021 i ricercatori hanno trovato un quasicristallo, un tipo di materia che gli scienziati un tempo ritenevano impossibile e che sfida le idee tradizionali su come si formano i solidi. I quasicristalli hanno una struttura ordinata, ma i loro atomi non si ripetono periodicamente come quelli dei cristalli normali.

L’unico altro quasicristallo noto che si forma naturalmente è stato trovato all’interno di frammenti di meteoriti, e gli scienziati ritengono che sia stato creato durante la violenta collisione di due asteroidi quando il sistema solare era giovane.

Il quasicristallo osservato nella trinitite è composto dagli stessi quattro elementi – ferro, silicio, rame e calcio – che costituiscono il clatrato appena scoperto.

“Il quasicristallo trovato nello stesso materiale è particolarmente intrigante perché si è formato nelle stesse condizioni estreme e non è ancora stato riprodotto in laboratorio, rendendolo un raro esempio di struttura creata dalla natura ma che non siamo ancora in grado di replicare completamente”, afferma Bindi.

Gli scienziati ipotizzano che i due tipi di cristallo si siano formati alle stesse temperature e pressioni nell’esplosione, ma che nelle aree in cui il rame era facilmente disponibile si sia formato il quasicristallo, mentre dove il rame era scarso si è formato il clatrato.

“Questo lavoro sottolinea come eventi rari e ad alta energia, quali detonazioni nucleari, fulmini e impatti iperveloci, fungano da laboratori naturali per la produzione di materia cristallina inaspettata”, scrivono gli autori nel loro articolo. I risultati sono stati pubblicati sui “Proceedings of the National Academy of Sciences”.