Удары Молнии Создают Странную Форму Кристалла Редко Встречающуюся В Природе

Сильные электрические разряды, обрушившиеся на песчаную дюну в Небраске, оставили после себя кристаллическую структуру, редко встречающуюся в природе.

Внутри куска фульгурита – или “окаменелой молнии”, – созданного мощным разрядом электричества, проникающим в песок и расплавляющим его, ученые обнаружили квазикристалл, расположение материи, которое когда-то считалось невозможным.

Это открытие предполагает, что существуют ранее неизвестные пути образования квазикристаллов, что открывает новые возможности для их синтеза в лаборатории.

«Текущее исследование было разработано для изучения другого возможного природного механизма генерации квазикристаллов: электрического разряда», – пишут в своей статье группа исследователей во главе с геологом Лукой Бинди из Университета Флоренции в Италии.

«Открытие квазикристалла в фульгурите с редко наблюдаемой 12-кратной симметрией и составом, о котором ранее не сообщалось, указывает на то, что этот подход также может быть многообещающим в лаборатории».

Фульгурит Песчаных холмов. Квазикристалл был найден в секции справа. (Бинди и др., PNAS, 2022)

Большинство кристаллических тел в природе, от обычной поваренной соли до самых прочных алмазов, следуют одной и той же схеме: их атомы расположены в виде решетки, которая повторяется в трехмерном пространстве.

Твердые тела, которые не имеют этих повторяющихся атомных структур – аморфные твердые тела, такие как стекло, – как правило, представляют собой атомный беспорядок, нагромождение атомов, перемешанных вместе без какой-либо логики или причины.

Квазикристаллы нарушают правило – их атомы расположены по шаблону, но этот шаблон не повторяется.

Когда идея квазикристаллов впервые появилась в 1980-х годах, эта концепция считалась невозможной. Твердые тела могут быть либо кристаллическими, либо аморфными, а не этим странным промежуточным состоянием. Но затем ученые действительно обнаружили их, как в лабораторных условиях, так и в природе, глубоко внутри метеоритов.

С тех пор ученые определили, что квазикристаллы в природе могут образовываться только в экстремальных условиях, при невероятно высоких ударных нагрузках, температуре и давлении.

Высокоскоростные удары метеоритов – одна из таких ситуаций; фактически, долгое время это была единственная обстановка, в которой они были обнаружены в природе, и поэтому считалось, что, возможно, это единственное место, где они могут произойти.

Затем Бинди и его коллега, физик Пол Стейнхардт из Принстонского университета, вместе со своей командой обнаружили квазикристалл, выкованный во время испытания ядерной бомбы в 1945 году. Хотя это открытие и не совсем “естественные” условия, оно предполагает, что могут существовать другие условия, в которых могут образовываться квазикристаллы.

Молния – одна из самых мощных сил в природе, поражающая с невероятной скоростью и способная нагревать воздух, через который она проходит, до температуры, в 5 раз превышающей температуру поверхности Солнца.

И когда он ударяется о землю в нужном месте с достаточной силой, он может расплавить песок, оставив после себя фульгурит – “ископаемое”, оставшееся от пути, который она прошла через землю.

Здесь есть все ингредиенты: удар, температура и давление. Итак, Бинди, Стейнхардт и их коллеги приступили к исследованию фульгуритов на предмет наличия квазикристаллов.

Они получили образец фульгурита из района Сэндхиллс в Небраске, извлеченный с участка, расположенного недалеко от упавшей линии электропередачи, и подвергли его сканирующей электронной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии, чтобы определить его химический состав и кристаллическую структуру.

Высокоугловое кольцевое изображение просвечивающей электронной микроскопии в темном поле среза квазикристалла, демонстрирующее его порядок и беспорядок. (Бинди и др., PNAS, 2022)

Образец состоял из расплавленного песка и следов расплавленного металла проводника от линии электропередачи. Внутри него исследователи обнаружили додекаэдрический (двенадцатигранный) квазикристалл с ранее неизвестным составом Mn_72.3Si_15.6Cr_9.7Al_1.8Ni_0.6.

Атомы в этом квазикристалле образовали узор с 12-кратной симметрией, расположенный в квазикристаллическом порядке, невозможном в обычных кристаллах.

Неясно, была ли молния или линия электропередачи ответственны за электричество, создавшее фульгурит; однако, основываясь на их анализе, команда определила, что песок должен был быть нагрет по крайней мере до 1710 градусов Цельсия, чтобы создать фульгурит.

Это, по словам исследователей, дает ключ к пониманию того, как ученые могли бы создавать квазикристаллы в лаборатории. Квазикристаллы, найденные в метеорите, позволили предположить, что одним из способов может быть ударный синтез; молния открывает новые возможности.

«Открытие додекагонального квазикристалла, образованного ударом молнии или оборванной линией электропередачи, предполагает, что эксперименты с электрическим разрядом могут быть еще одним подходом, который будет добавлен к нашему арсеналу методов синтеза», – пишут они в своей статье.

И это открытие указывает на то, что раньше могли упускать из виду пути формирования квазикристаллов — как на Земле, так и за ее пределами.

«Представленные здесь результаты вместе с содержанием микроэлементов, измеренным в природных квазикристаллах, открывают возможность того, что электрический разряд в ранней солнечной туманности, возможно, сыграл ключевую роль, которая не только объясняет необходимые условия редуцирования, но и способствует образованию квазикристаллов».

Источник новости PNAS