Scoperto un nuovo materiale formatosi con il primo test della bomba atomica nel ’45: è un clatrato di calcio

È stato scoperto un nuovo materiale formatosi durante l'esplosione della prima bomba atomica: si tratta di un clatrato a base di calcio, rame e silicio, come confermato da un recente studio pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica PNAS. Il 16 luglio 1945, con il Trinity Test condotto nel deserto di Alamogordo in New Mexico, l'umanità entrava ufficialmente nell'era nucleare.

L'esplosione nucleare generò un'energia equivalente a circa 21.000 tonnellate di tritolo, sprigionando temperature superiori a quelle della superficie solare e pressioni spaventose. Questo inferno di calore fuse istantaneamente la sabbia del deserto insieme ai tralicci d'acciaio e ai cavi di rame della strumentazione, creando un materiale vetroso unico chiamato trinitite. Oggi, a distanza di oltre ottant'anni, quel vetro radioattivo continua a rivelare segreti straordinari. Il team di ricercatori, guidati dal geologo italiano Luca Bindi dell'Università di Firenze, ha infatti scoperto questo nuovo materiale completamente sconosciuto alla scienza all'interno della rara trinitite rossa.

Campione contenente la trinitite (in verde). Credit: Bindi et al, 2021.

Cos'è un clatrato come quello che si è creato con il primo test atomico

In chimica e mineralogia, i clatrati sono composti di inclusione in cui gli atomi creano una vera e propria struttura a gabbia geometrica – in questo caso cubica – capace di intrappolare al suo interno altri atomi o molecole ospiti. Il team di ricerca, guidato dal geologo italiano Luca Bindi dell'Università di Firenze, ha individuato questo nuovo clatrato all'interno di una piccolissima goccia metallica ricca di rame incorporata nel vetro. La sua formula chimica specifica è stata identificata come (Ca3.3Cu0.4Fe0.3)Si23.

Questo è il primo clatrato confermato cristallograficamente mai identificato tra i prodotti solidi di una detonazione nucleare.

ha dichiarato Bindi.

Nella struttura scoperta, la gabbia esterna è formata prevalentemente da silicio, mentre gli atomi di calcio, rame e ferro sono gli ospiti intrappolati all'interno.

La particolarità del nuovo materiale: il ruolo delle condizioni "fuori equilibrio"

La particolarità di questo materiale risiede nel fatto che è impossibile da replicare tramite i normali processi di sintesi in laboratorio. La sua formazione è avvenuta in condizioni di estremo "non-equilibrio termodinamico". Spiega Bindi:

Ciò che rende la scoperta particolarmente interessante è che questo clatrato si è formato nello stesso ambiente estremo dell'insolito quasicristallo ricco di silicio che abbiamo precedentemente scoperto nel materiale di Trinity. Entrambe le fasi si sono formate durante l'esplosione in condizioni altamente transitorie e lontane dall'equilibrio, che hanno comportato temperature e pressioni enormi seguite da un raffreddamento ultrarapido (quenching).

Il calore immenso ha vaporizzato il rame dei cavi elettrici e il silicio della sabbia, mentre l'onda d'urto ha compresso la materia a pressioni superiori ai 5 gigapascal. La trinitite comune è verde, ma la variante rossa studiata dal team deve il suo colore proprio al rame delle infrastrutture del test vaporizzate dalla bomba.

L'importanza della scoperta

I clatrati non sono solo bellissimi da vedere a livello microscopico, ma sono materiali di grande interesse tecnologico. Grazie alla loro struttura a gabbia, vengono studiati per applicazioni d'avanguardia: dalla conversione dell'energia – come materiali termoelettrici in grado di trasformare il calore residuo in elettricità – allo sviluppo di nuovi semiconduttori, fino alle tecnologie per lo stoccaggio sicuro di gas e idrogeno. Studiare questi micro-frammenti ci mostra come si comporta la materia quando viene spinta oltre i suoi limiti fisici. Processi termodinamici così violenti e rapidi, infatti, non avvengono solo nei test nucleari antropici, ma sono identici a eventi naturali catastrofici come l'impatto di meteoriti sulla Terra o le collisioni tra corpi planetari nello spazio profondo.

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