2026 年 5 月 11 日
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最初の核実験の跡から奇妙な結晶が発見された
トリニティ爆弾実験では独特の形態の物質が残されましたが、現在科学者たちはその内部に新たな化学構造を発見しました。
[1945年7月16日にニューメキシコ州で行われたトリニティ核実験の火球。
アンダーウッドアーカイブ/寄稿者/ゲッティイメージズ
約81年前、最初の核爆弾が爆発しました。トリニティ実験はマンハッタン計画の一環としてニューメキシコの砂漠で実施され、プルトニウム爆弾が爆発し、25キロトンのTNTのエネルギーが放出された。キノコ雲が消えるにつれて、溶けた砂と蒸発したセンサーワイヤーが結合して、奇妙な形のガラス状物質が残されました。科学者たちはそれをトリニタイトと名付けました。
今回、研究者らは、クラスレートと呼ばれるトリニタイト内部の新しい物質を特定した。これは、内部に他の原子を閉じ込める籠状の化学ネットワークである。 「これは完全に新しいタイプのクラスレート結晶で、自然界や核爆発の生成物ではこれまでに見たことのないものです」と、この発見を詳述した新しい研究の共著者であるイタリアのフィレンツェ大学の地質学者ルカ・ビンディは言う。
奇妙な物質は、非常に異常な条件の結果として生まれます。トリニティの爆発中、結果として生じた火の玉によって巻き上げられた砂は、摂氏 1,500 度を超える温度と、通常の大気圧の数万倍でグラファイトをダイヤモンドに押し込むのに十分な数ギガパスカルの圧力にさらされました。物質は非常に急速に蒸発、混合、冷却され、新しい形態に再配置されます。 「これらすべてはほんの数秒で起こったので、原子が安定した構造に整列する時間がなく、このような平衡状態にある異常な物質が生じた」とビンディ氏は言う。
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このクラスレートは、トリニタイトに埋め込まれた銅の豊富な金属滴内で発見されました。クラスレートの「かご」形状は、シリコン原子でできた 12 面の 12 面体と 14 面の 40 面体で、内部にカルシウム原子 (場合によっては銅や鉄の原子) が閉じ込められています。
新しいクラスレートが発見された研究で使用されたトリニタイトサンプル。
ルカ・ビンディア、マレク・ミハルコビッチ、マイケル・ウィドム、ポール・J・スタインハート/PNAS
マサチューセッツ大学ローウェル校の地球科学者、G. ネルソン・イービー氏は、「トリニティ試験の極端な過渡条件により、室内実験では見つからない可能性のある準安定相の形成が可能になる」と語る。彼は以前、この研究の著者の何人かと共同研究をしていたものの、今回の研究には関与していない。 「これはクラスレートの世界へのエキサイティングな新たな追加です。」
トリニタイト内で発見された新しい化学物質はクラスレート結晶だけではありません。 2021年、研究者らは準結晶を発見した。これは科学者たちが不可能だと考えていた一種の物質で、固体がどのように形成されるかについての従来の考えに疑問を投げかけるものだ。準結晶は規則正しい構造を持っていますが、その原子は通常の結晶のように周期的に繰り返されません。
他に知られている唯一の天然準結晶は隕石の破片の内部で発見されており、科学者らはそれが太陽系が誕生したばかりの頃、2つの小惑星の激しい衝突中に生成されたと考えている。
トリニタイトで見られる準結晶は、新しく発見されたクラスレートを構成するのと同じ 4 つの元素 (鉄、ケイ素、銅、カルシウム) で構成されています。 「同じ物質内で見つかった準結晶は、同じ極限条件下で形成され、まだ実験室で再現されていないため、特に興味深い。自然が作り出したものの、まだ完全には再現できない構造の稀な例だ」とビンディ氏は言う。
科学者らは、爆発時の同じ温度と圧力下で 2 種類の結晶が形成されたと理論づけていますが、銅が容易に入手できる地域では準結晶が形成され、銅が不足している地域ではクラスレートが形成されました。
「この研究は、核爆発、雷、超高速衝突などの稀な高エネルギー事象が、予期せぬ結晶物質を生成する自然の実験室としてどのように機能するかを強調している」と著者らは論文で述べている。結果は5月11日に発表された。 米国科学アカデミー紀要。
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