Невозможность второго рода. Невероятные поиски новой формы вещества - Пол Стейнхардт

К моему первому электронному письму Полу было приложено изображение, демонстрирующее лишь небольшую часть наших железных бусинок в “индейке”, и я спрашивал, видел ли он когда-нибудь что-то подобное. Он тут же заинтересованно ответил, поскольку раньше использовал пушку для изучения образования железных шариков в стопках из различных синтетических металлов[23]. А тут был природный пример того явления, которое он изучал. Его это сразу заворожило.

Вскоре мы стали обсуждать, как провести эксперимент, собрав стопку из материалов, которые, возможно, были частью Хатырки до того, как произошел высокоскоростной удар, подтвержденный цюрихским изотопным тестом. Мы надеялись, что сможем воспроизвести процесс формирования железных бусинок, ударив по стопке танталовым снарядом из пушки.

О том, чтобы попробовать провести эксперимент с пушкой, я задумывался еще несколькими годами ранее. Но в то время было непонятно, какие материалы следует поместить в стопку. К моменту обнаружения железных бусинок в зерне № 126A мы уже гораздо больше знали о составе Хатырки. На основе этой информации Пол разработал эксперимент, в котором в мишень помещался набор слоев, изображенный вверху. Первым слоем шел оливин, типичный метеоритный силикат, за ним следовал синтетический медно-алюминиевый сплав, а затем природный железоникелевый сплав из метеорита Каньон Дьявола, покрытый синтетической алюминиевой бронзой[24]. Все это следовало в плотно сжатом виде поместить в контейнер из нержавеющей стали.

Выстрел был произведен, и на этом столкновительная часть эксперимента сразу закончилась. Но после извлечения материала из коробки-ловушки мы потратили еще много месяцев на его тщательный анализ, разбираясь, что в нем произошло. Мы надеялись доказать, что при ударе могут образоваться железные бусинки, найденные нами в зерне № 126A. Но это оказалось наименее значительным из наших открытий.

Пока вызванная столкновением ударная волна распространялась по заключенной в контейнер стопке, в той произошла серия реакций. Невероятно, но там обнаружилась крошечная область силиката, окруженная металлом с железными бусинками по границе, очень похожая на “индейку” в зерне № 126A. Это было доказательством того, что найденные в Хатырке железные бусинки могли образоваться в результате удара. Миссия выполнена.

Однако эксперимент выявил и нечто куда более невероятное. В результате удара возникли зерна икосаэдрического квазикристалла с подобным, но не идентичным икосаэдриту составом. Такого никто не ожидал.

За тридцать с лишним лет, прошедших с открытия квазикристаллов, в лабораториях по всему миру их были созданы сотни тысяч, а возможно, даже миллионы. Квазикристаллы известны своей твердостью и устойчивостью, но всегда считалось, что их нужно создавать с большой аккуратностью и в очень строго контролируемых условиях. Энергичное столкновение набора минералов при пушечном выстреле было совсем не похоже на химически чистые условия с низким давлением, в которых обычно производятся синтетические квазикристаллы.

Это был еще один поразительный прорыв в нашем исследовании. Неожиданный успех вдохновил нас на серию экспериментов по ударному синтезу с использованием пушки Пола. Один из экспериментов был поставлен, чтобы понять, сможем ли мы получить декагонит – второй природный квазикристалл, обнаруженный в наших образцах. Для этого мы изменили минеральный состав в стопке, включив в него никель – ингредиент декагонита.

Этот опыт также оказался удачным. В результате удара возникла серия похожих на цветы композиций, вроде показанной вверху. Сероватые лепестки – это декагональные квазикристаллы. Самым поразительным было яркое белое вещество, образовавшееся в сердцевине цветков. Как ни странно, оно имеет тот же состав, что и стейнхардтит.

Ударные эксперименты стали теперь настолько успешными, что начали жить собственной жизнью. Иногда в них возникали квазикристаллы и другие кристаллы с таким составом, какой никогда ранее не встречался ни в природе, ни в лаборатории.

Этот результат вдохновил нас с Полом Азимовым на то, чтобы рассмотреть возможность использования пушки для столкновения множества других комбинаций элементов, что обещает стать оригинальным и захватывающим способом поиска новых материалов. Возможно, мы сумеем найти примеры квазикристаллов с особенно полезными сочетаниями физических свойств, таких как прочность и электропроводность. Или нам удастся обнаружить материалы с другим типом упорядоченного расположения атомов, о котором мы раньше даже не подозревали.

Самый удивительный квазикристалл из всех

Железные бусинки были лишь одним из нескольких сюрпризов, обнаруженных нами в зерне № 126A. Тщательно определив тип каждого минерала и учтя, какие материалы к ним прилегают, мы могли заняться детальной реконструкцией ужасного столкновения, которое Хатырка испытал сотни миллионов лет назад.

В частности, мы сосредоточились на вопросе о том, образовались ли икосаэдрит и другие алюмомедные минералы во время удара или же существовали и раньше. Несмотря на все наши проверки, ни одна из этих возможностей еще не была исключена.

Чтобы ответить на этот вопрос, сначала нужно было определить, есть ли хоть немного икосаэдрита в зерне № 126A. Чейни потратил недели на отсмотр содержащихся в образце металлических островков сложной формы. Почти все металлические минералы, которые он обнаружил, были либо кристаллическим хатыркитом, либо другими богатыми алюминием фазами. Он так и не смог найти икосаэдрит. Но мы не собирались сдаваться.

В качестве последней меры мы отправили Чейни в Пасадену для работы с минералогом Чи Ма, имевшим доступ к электронному микроскопу с еще более высоким разрешением, чем у того, с которым работал Чейни. Вскоре Чи нашел крошечное металлическое пятнышко – слишком маленькое, чтобы Чейни мог его разглядеть. И, что невероятно, в этом пятнышке обнаружилась весьма примечательная комбинация металлических сплавов, находящихся в контакте с икосаэдритом.

Теперь мы наконец-то могли сообщить, что в одном и том же зерне материала обнаружены как образцы икосаэдрита, так и свидетельства химических реакций между металлом и силикатом. Я был взволнован, поскольку знал, что этот факт надежно закрепил наше научное открытие. Больше не могло быть сомнений в том, что силикат и металл сосуществовали в космосе и испытывали воздействие одних и тех же физических условий. Тем самым у нас появилось еще одно, на этот раз прямое, доказательство того, что наши квазикристаллы были рождены в космосе.

Новый раунд открытий включал также три новых кристаллических минерала, состоящих из различных комбинаций алюминия, меди и железа, которые ранее никогда не наблюдались в природе. Все три теперь официально признаны Международной минералогической ассоциацией. Три новых минерала назвали “холлистеритом” – в честь моего коллеги из Принстона Линкольна Холлистера, “крячкоитом” – в честь нашего российского коллеги Валерия Крячко и “столперитом” – в честь бывшего ректора Калтеха Эда Столпера, который давал мне ценные идеи и поддержал в начальный период нашего исследования. Эд также открыл мне дорогу к работе с несколькими выдающимися учеными из отдела геофизики Калтеха.

Самый замечательный из всех новых минералов, обнаруженных на сегодняшний день в зерне № 126A, имеет рабочее обозначение i-phase II (предлагаемое нами официальное название – “квинтессеит”). Он указан стрелками на снимке справа.