人類が初めて原子爆弾の威力を目撃したとされるトリニティ核実験から80年以上が経った今も、科学者たちはその残骸から新たな科学的発見を発掘し続けている。このほど、この歴史的な核爆発で残された物質の最新の分析により、核爆発生成物中にクラスレートと呼ばれる結晶構造が初めて確認されたことが明らかになりました。
1945年7月16日、米国はマンハッタン計画の一環として、ニューメキシコの砂漠でコードネーム「トリニティ」と名付けられたプルトニウム爆弾の爆発実験を実施した。原子爆弾は約21,000トンのTNTに相当するエネルギーを放出し、爆発の中心にある岩石や金属の支持構造物を蒸発させ、周囲の大量の砂を包み込み、激しい「原子嵐」を引き起こした。高温と数万気圧という極限の条件下で、高さ30メートルの試験塔の鉄骨構造内の溶けた砂、粘土、金属、そして大量の銅製ケーブルが瞬時に溶けて急速に冷却され、最終的に「トリニタイト」と呼ばれるガラス状の物質が形成されました。
コミックのクリプトナイトと同様に、トリニティ ガラスにはさまざまな「バージョン」があります。一般的なものは緑色のガラスですが、銅のケーブルとブラケットからより多くの金属が組み込まれているため、銅の含有量が高い赤色のガラスは独特です。このガラスはかつて核実験場への訪問者がお土産として集めていたもので、現在では極限条件下での独特の化学反応を研究するための貴重なサンプルとなっています。
2021年にもイタリアのフィレンツェ大学の地質学者ルカ・ビンディ率いるチームが、赤いトリニティガラスのサンプルから新たな二十面体準結晶構造を発見し、注目を集めた。最新の研究では、ビンディのチームは、X線回折と電子プローブ技術を使用して、銅を豊富に含む赤いトリニティガラスの小さな液滴の詳細な分析を実施しました。その結果、以前に準結晶が発見された場所の近くの領域で、全く新しい結晶物質が確認されました。
研究チームは最新の報告書で次のように書いている：「トリニティ核実験中に、これまで知られていなかった[カルシウム-銅-シリコン]タイプIクラスレート結晶が形成されたことを報告する。核爆発の固体生成物においてクラスレート構造の存在が結晶学的に確認されたのはこれが初めてである。」クラスレートは自然界に広く存在しており、他の原子や分子を「トラップ」できる結晶格子内の籠状構造を特徴としています。その構造配置は不規則準結晶とは異なりますが、トリニティ ガラスにおける 2 つの元素組成は似ており、研究者らは 2 つのガラスの間により深い構造的関係があるかどうかについて考えるようになりました。
研究チームは、クラスレートと準結晶はどちらも砂漠の砂や金属試験塔に一般的に見られる元素で構成されているため、両方とも核爆発中に形成されたと結論付けることができると指摘した。ただし、サンプル組成に基づく計算モデルによると、通常の条件下では、このクラスレート構造は銅含有量が約 10% の場合にのみ安定して存在し、トリニティ ガラス中の実際の銅含有量は 21% に達します。これは、この「檻のような」結晶は、核爆発の「瞬き」の一瞬の窓の中で「凍って」しまったかのように、温度と圧力が急激に上昇し、その後すぐに下降する非常に短い時間内に瞬時に生成されなければならないことを意味します。
研究ではまた、この発見は三位一体準結晶構造を説明するために単純な「クラスレート骨格」を使用する可能性を排除しているとも指摘し、極限条件下で生成されるシリコンリッチ相が独立した異なる構造特性を持っていることを強調した。科学者らは、このような極端な環境は極めてまれであり、人間が核爆発によって現実にそのような環境を再現することがなくなることを望んでいるという。したがって、トリニティ実験で残されたガラス岩は、この「破壊の瞬間の創造」に関するユニークな自然実験記録となった。関連する研究結果は米国科学アカデミー紀要 (PNAS) に発表されており、極限条件下での材料形態と結晶構造の進化を理解するための新しい視点を人々に提供しています。