Международная группа исследователей из Университета Флоренции (Италия) и Калифорнийского университета в Беркли (США) изучала хиросимиты — микроскопические стеклянные сферулы. Они образовались во время атомного взрыва, который устроили американцы более 80 лет назад, и сохранились в песках залива Хиросима в Японии. Ранее ученые выяснили, что эти частицы представляют собой своеобразный «слепок» огненного шара: они возникли, когда колоссальная температура испарила строительные материалы, почву, стекло и металлы. Затем расплавленные вещества почти мгновенно остыли.
По оценкам авторов научной работы, опубликованной в журнале Science Advances, температура внутри огненного шара в первые секунды после взрыва превышала 7000 градусов Цельсия. В этих условиях в атмосферу были выброшены и смешались пары стали, алюминия, бетона, стекла, кирпича, грунта и других материалов. Потом облако стремительно расширялось и охлаждалось, а вещества в нем конденсировались в мельчайшие капли и твердые частицы.
Ученые проанализировали 34 образца хиросимитов с помощью световой и электронной микроскопии, электронного микрозонда и рентгеноструктурного анализа. Большинство металлических включений представляли собой хорошо известные железо-хромовые сплавы. Однако в одной из сферул обнаружили крошечную металлическую частицу — размером примерно 10 микрометров, — которая отличалась от остальных.
Как показал анализ, частица состоит в основном из железа, но еще содержит хром, никель, кремний, молибден, марганец и небольшое количество алюминия. Четыре независимых измерения подтвердили, что ее химический состав практически одинаков по всему объему. По мнению исследователей, это говорит о том, что сплав кристаллизовался из единой капли расплава, а потом настолько быстро остыл, что внутри него не успели сформироваться отдельные зоны с разным составом.
Главным открытием оказался не столько сам набор химических элементов, сколько внутреннее строение материала. Выполнив рентгеноструктурный анализа, ученые узнали, что сплав имеет необычную упорядоченную кристаллическую структуру типа AlAu4 — разновидность структуры β-Mn. Она ранее не была известна для материалов с таким химическим составом.
Поначалу исследователи предположили, что найденная частица — фрагмент какого-то промышленного сплава, существовавшего еще до взрыва. Но эта гипотеза не подтвердилась: сочетание химического состава и кристаллической структуры не соответствует известным промышленным железо-хромовым сплавам. К тому же подобные материалы при обычных технологиях металлургии должны образовывать более простые структуры.
По мнению ученых, новый материал возник иначе. При взрыве различные металлические конструкции в Хиросиме испарились и смешались в раскаленном облаке. Затем из этого многоэлементного металлического пара начали конденсироваться микроскопические капли, которые охлаждались столь быстро, что в них успели закрепиться необычные метастабильные структуры, недостижимые при обычном производстве металлов.
Обнаруженный материал нельзя считать высокоэнтропийным сплавом в строгом смысле этого слова, подчеркнули авторы исследования. Хотя он содержит несколько основных элементов, состав сильно смещен в сторону железа, а кристаллическая структура упорядоченна, тогда как классические высокоэнтропийные сплавы обычно имеют близкие концентрации компонентов и неупорядоченную структуру. Тем не менее этот материал сочетает признаки обеих групп, поэтому, по словам ученых, может представлять собой промежуточный класс подобных соединений.
Практическое применение нового сплава пока не ясно. Исследователи не измеряли его механические, магнитные или другие свойства.
В 2021 году в остатках первого в истории ядерного испытания «Тринити», который США провели в июле 1945-го на полигоне Аламогордо в Нью-Мексико, обнаружили необычный квазикристалл. Новая находка подтвердила, что атомные взрывы могут формировать не только квазикристаллы, но и другие сложные кристаллические структуры, возникающие лишь при сочетании экстремально высоких температур, интенсивного перемешивания вещества и сверхбыстрого охлаждения.