Thứ "chưa từng thấy" sinh ra từ vụ nổ hạt nhân năm 1945

Loại thủy tinh sinh ra từ cát nóng chảy

Sáng 16/7/1945, tại sa mạc Jornada del Muerto, gần Alamogordo, bang New Mexico, Mỹ tiến hành vụ thử hạt nhân Trinity. Vụ nổ đã làm nóng chảy cát sa mạc cùng nhiều vật liệu nhân tạo xung quanh, để lại trên mặt đất một lớp vật chất giống thủy tinh, sau này được gọi là trinitite, theo tên của vụ thử.

Trong nhiều thập kỷ, trinitite chủ yếu được nhắc đến như một “dấu tích vật chất” của vụ nổ hạt nhân đầu tiên. Tuy nhiên, với các nhà khoáng vật học, loại đá thủy tinh này còn giống một “hộp đen” lưu giữ khoảnh khắc vật chất bị đẩy vào trạng thái cực hạn: nhiệt độ rất cao, áp suất tăng đột ngột, rồi nguội đi trong thời gian rất ngắn.

Mới đây, nhóm nghiên cứu do nhà khoáng vật học Luca Bindi, Đại học Florence, Italy, dẫn đầu đã công bố phát hiện một tinh thể clathrate chưa từng được ghi nhận trước đây trong mẫu trinitite đỏ. Nghiên cứu được đăng trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Trinitite hình thành khi sức nóng từ vụ nổ làm tan chảy cát sa mạc, đất đá và một số vật liệu nhân tạo tại khu vực thử nghiệm. Khi khối vật chất nóng chảy này nguội lại, nó tạo thành những mảnh thủy tinh có màu xanh nhạt, đỏ hoặc đen.

Phần lớn trinitite có màu xanh lục nhạt. Riêng trinitite đỏ hiếm hơn, được cho là chứa nhiều thành phần kim loại từ tháp thử nghiệm, dây cáp và các thiết bị đo đạc bị phá hủy trong vụ nổ. Những giọt kim loại nhỏ bị cuốn vào cát nóng chảy, sau đó nguội lại và bị “đóng băng” bên trong cấu trúc thủy tinh.

Chính biến thể màu đỏ này đã nhiều lần khiến giới khoa học chú ý. Năm 2021, các nhà nghiên cứu từng phát hiện trong trinitite đỏ một loại giả tinh thể giàu silic. Giả tinh thể là dạng vật chất có trật tự nguyên tử đặc biệt, không lặp lại đều đặn như tinh thể thông thường.

Phát hiện đó khiến nhóm của Bindi tiếp tục đặt câu hỏi: liệu bên trong trinitite đỏ còn ẩn giấu những cấu trúc lạ khác hay không?

“Chiếc lồng” nguyên tử trong đá hạt nhân

Khi phân tích mẫu trinitite đỏ sẫm bằng các kỹ thuật như kính hiển vi điện tử, phân tích vi đầu dò electron và nhiễu xạ tia X, các nhà khoa học phát hiện một lượng nhỏ tinh thể clathrate nằm trong giọt kim loại giàu đồng.

Clathrate là dạng cấu trúc tinh thể trong đó các nguyên tử sắp xếp thành một mạng lưới giống “chiếc lồng”, nhốt các nguyên tử khác bên trong. Trong mẫu trinitite đỏ, mạng lưới này chủ yếu gồm silic, trong khi các nguyên tử canxi nằm ở trung tâm cấu trúc; đồng và sắt cũng xuất hiện với lượng nhỏ.

Theo các nhà khoa học, đây là lần đầu tiên một clathrate được xác nhận về mặt tinh thể học như sản phẩm rắn của một vụ nổ hạt nhân. Điều khiến phát hiện này đặc biệt hơn là kiểu cấu trúc như vậy rất hiếm trong các hợp chất vô cơ tự nhiên.

Nói cách khác, vụ nổ đã tạo ra trong khoảnh khắc những điều kiện mà tự nhiên gần như không có sẵn trên bề mặt Trái Đất.

Dưới nhiệt độ và áp suất cực cao, các nguyên tử bị buộc phải “xếp chỗ” theo cách bất thường. Khi vật chất nguội đi nhanh chóng, cấu trúc lạ ấy được giữ lại trong mẫu trinitite như một vết tích của quá trình cực hạn.

Theo nhóm nghiên cứu, tinh thể clathrate mới phát hiện có thành phần gồm silic, canxi, đồng và một lượng nhỏ sắt. Nó có cấu trúc lập phương kiểu I, dạng cấu trúc thường được mô tả như một khung lồng ở cấp độ nguyên tử.

Các nhà khoa học cho rằng điều kiện hình thành của tinh thể này phản ánh trạng thái rất ngắn ngủi nhưng khắc nghiệt trong vụ nổ Trinity.

Nhiệt độ có thể vượt quá 1.500 độ C, trong khi áp suất tăng vọt trong thời gian ngắn. Chính sự kết hợp giữa nhiệt, áp suất, kim loại từ thiết bị thử nghiệm và cát sa mạc nóng chảy đã tạo ra môi trường hóa học đặc biệt.