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A primeira detonação nuclear cria cristais “impossíveis”.

Uma amostra tripla vermelha contendo o semicristal

Esta amostra de trinitito vermelho foi encontrada para conter um tipo de semicristal até então desconhecido.Crédito: Luca Bindi, Paul J Steinhardt

Cientistas em busca de quase-cristais – os chamados materiais “impossíveis” com estruturas incomuns e raras – identificaram um nos vestígios do primeiro experimento de bomba nuclear do mundo.

A estrutura até então desconhecida, feita de ferro, silício, cobre e cálcio, pode ter se formado a partir da amálgama de areia do deserto e cabos de cobre. Materiais semelhantes foram sintetizados em laboratório e identificados em meteoritos, mas este material é descrito em Anais da Academia Nacional de Ciências Em 17 de maio, é o primeiro exemplo de um semicristal com esta combinação de elementos1.

Simetrias são impossíveis

Os cristais semicristalinos contêm blocos de construção de átomos – ao contrário dos cristais regulares – que não se repetem em um padrão regular de tijolo. Enquanto as estruturas cristalinas regulares parecem idênticas após serem transladadas em certas direções, os quasicristais têm simetrias que antes eram consideradas impossíveis: por exemplo, alguns deles têm simetria pentagonal e, portanto, parecem semelhantes se girados em um quinto de uma torção completa.

O cientista de materiais Daniel Shechtman, agora no Instituto Technion de Tecnologia israelense em Haifa, descobriu essa simetria impossível em uma liga sintética em 1982. Ela tinha uma simetria pentagonal quando girada em cada uma das diferentes direções possíveis, o que aconteceria se o edifício blocos eram Seus rostos eram icosaédricos – isto é, ela tinha uma forma regular com 20 faces. Muitos pesquisadores questionaram as descobertas de Shechtmann, pois é matematicamente impossível preencher o espaço em branco usando apenas faces decimais. Shechtmann acabou ganhando o Prêmio Nobel de 2011 Em Química para Descoberta.

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Na mesma época, Paul Steinhardt, um físico teórico atualmente na Universidade de Princeton em New Jersey, e seus colaboradores começaram a teorizar a possibilidade de estruturas tridimensionais raras. Tinha a mesma simetria dos decagonais, mas era montado a partir de blocos de construção de vários tipos diferentes, que nunca se repetiam no mesmo padrão – o que explica por que se perderam na matemática dos cristais simétricos. O físico matemático Roger Penrose, que está atualmente na Universidade de Oxford, no Reino Unido, e outros pesquisadores descobriram anteriormente padrões semelhantes em duas dimensões, que são chamados de Penrose.

Steinhardt se lembra daquele momento em 1982, quando viu pela primeira vez os dados experimentais da descoberta de Shechtman e os comparou com suas previsões teóricas. “Eu estava na minha mesa e olhei nosso padrão, e você não poderia dizer a diferença”, diz ele. “Então foi um momento maravilhoso.”

Anos depois, os cientistas de materiais fizeram vários tipos de quase-cristais, ampliando a gama de possíveis simetrias proibidas. E Steinhardt e colegas mais tarde O primeiro “icosaédrico” de ocorrência natural é encontrado Em partes de um meteorito foi encontrado na Península de Kamchatka, no leste da Sibéria. Steinhardt diz que este cristal quase cristalino provavelmente se formou em uma colisão entre dois asteróides no início do Sistema Solar. Alguns dos cristais semiacabados foram produzidos em laboratório esmagando materiais uns contra os outros em alta velocidade, então Steinhardt e sua equipe se perguntaram se as ondas de choque de explosões nucleares poderiam formar quasicristais também.

‘Fatiar e fatiar’

Na esteira do teste Trinity – a primeira detonação de uma bomba nuclear, que ocorreu em 16 de julho de 1945 na cordilheira de Alamogordo, no Novo México – os pesquisadores encontraram um extenso campo de material vítreo esverdeado formado a partir da liquefação de areia do deserto . Eles o chamaram de Trinity.

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Uma bomba de plutônio foi detonada em uma torre de 30 metros de altura carregada com sensores e cabos. Como resultado, alguns dos trinitites que se formaram continham inclusões vermelhas, diz Steinhardt. “Foi a fusão de uma substância natural com o cobre das linhas de transmissão.” Os quasicristais são freqüentemente formados de elementos que não podem se combinar naturalmente, então Steinhardt e seus colegas pensaram que amostras de trinitito vermelho seriam um bom lugar para procurar cristais quase cristalinos.

“Por dez meses, estivemos fatiando e examinando todos os tipos de minerais”, diz Steinhardt. “Finalmente, encontramos uma pequena pílula.” Os quasicristais têm o mesmo tipo de simetria decimal que a encontrada na descoberta original de Shechtmann.

“O domínio do silício em sua estrutura é bastante distinto”, diz Valeria Molinero, uma química teórica da Universidade de Utah em Salt Lake City. “No entanto, depois de fazer tantos semicristais em laboratório, o que acho realmente interessante é que eles são muito raros na natureza”, diz ela. Isso, diz Steinhardt, pode ser porque a formação de quase-cristal inclui “combinações incomuns de elementos e arranjos incomuns”.

Como a maioria dos quasicristais conhecidos, a estrutura tripla parece ser uma liga – uma substância semelhante a um metal composta de íons positivos em um mar de elétrons. Isso é incomum para o silício, que geralmente ocorre em rochas na forma oxidada: reverter a oxidação requer condições extremas, como calor intenso e pressão das ondas de choque, diz Lincoln Hollister, geólogo da Universidade de Princeton.

Steinhardt sugere que cristais quase cristalinos podem ser usados ​​para algum tipo de ciência forense nuclear, porque eles podem revelar locais onde um teste nuclear secreto ocorreu. Cristais semicristalinos também podem se formar em outros materiais criados em condições violentas, como fulgurita, que é o material feito quando um raio atinge rochas, areia ou outros sedimentos. “A saga quasicristal vai continuar!” Hollister diz.

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