Les détonations nucléaires libèrent une quantité étonnante de force destructrice. Mais la pression et la température extrêmes qu'elles génèrent font également des explosions nucléaires un chaudron de création chimique, capable de livrer des découvertes scientifiques nouvelles et surprenantes.

Dans les années 1950, par exemple, les scientifiques examinant les débris des essais américains de bombes à hydrogène ont trouvé deux nouveaux éléments, qui occupent maintenant les numéros 99 et 100 dans le tableau périodique. Ils les ont nommés d'après d'éminents scientifiques nucléaires :einsteinium pour Albert Einstein, et fermium pour Enrico Fermi.

Maintenant, des scientifiques passant au crible les débris sur le site de la toute première explosion d'une bombe nucléaire, tenue au Nouveau-Mexique en juillet 1945 et baptisée le test Trinity, ont mis au jour une autre bizarrerie chimique. Dans leur papier, les chercheurs rapportent la découverte d'un type de « quasi-cristal » jusqu'alors inconnu, une formation cristalline que l'on croyait autrefois impossible en raison de sa structure géométrique irrégulière.

Que sont les quasi-cristaux ?

Les quasi-cristaux ont été découverts pour la première fois par le scientifique des matériaux Dan Schechtman en 1984, mais ont été initialement considérés comme très controversés, voire impossibles, car leur forme unique n'est pas autorisée par les règles définissant les structures cristallines.

Les cristaux sont composés d'unités qui se répètent périodiquement en trois dimensions. Une bonne façon de penser à cela est de les imaginer en deux dimensions. Vous pouvez carreler un sol avec certaines formes géométriques, comme des carrés, triangles et hexagones, parce qu'ils sont en mosaïque, ce qui signifie qu'ils peuvent être emboîtés ensemble dans un motif répétitif sans chevauchement ni espace. Vous ne pouvez pas le faire avec des tuiles pentagonales ou heptagonales. Ils ne peuvent pas être tesselés, afin qu'ils laissent des espaces irréguliers sur votre sol.

Les structures cristallines tridimensionnelles obéissent à la même règle. Les unités répétitives s'organisent naturellement selon un motif régulier, remplissant tout l'espace disponible. Une disposition hexagonale, par exemple, est une structure cristalline typique.

La règle générale est que les cristaux doivent avoir des unités répétitives avec 2 fois, 3 fois, Axes 4 ou 6 fois. Ici, « plier » signifie combien de fois vous pouvez faire pivoter l'unité de cristal tridimensionnelle afin qu'elle ressemble à sa position de départ, ce qui permet la tessellation. La règle signifie que les unités cristallines avec un axe 5 fois (pentagonal) ou quoi que ce soit de 7 fois et plus (heptagonal et au-delà) ne seront pas tesselées, et ne peut donc pas exister.

Carrelage Penrose

Cette règle s'est maintenue jusqu'en 1974, lorsque le physicien mathématicien britannique Roger Penrose a trouvé un moyen de couvrir un espace à deux dimensions comme un sol avec des formes qui ne se répètent pas périodiquement - une forme de pavage maintenant appelée "Penrose carrelage".

Ces idées furent bientôt appliquées aux structures tridimensionnelles, et c'est en 1984 que Schechtman publie ses travaux expérimentaux sur les quasicristaux. Sa découverte lui a valu le prix Nobel de chimie en 2011.

Plus de 100 types de quasicristaux ont été découverts depuis, bien que presque tous aient été produits en laboratoire. Trois exceptions, trouvé dans la météorite Khatyrka dans le nord-est de la Russie, peut remonter au début de notre système solaire. Et maintenant il y en a un autre, qui est le plus ancien quasi-cristal existant à avoir été produit, bien qu'accidentellement, à la suite de l'activité humaine.

Nouveau quasi-cristal

Le nouveau quasicristal a été trouvé dans un matériau vitreux appelé trinitite rouge, que les scientifiques ont trouvé sur le site de l'explosion nucléaire de 1945. La trinitite s'est formée au moment de la détonation du test Trinity, quand les sables du désert du Nouveau-Mexique ont été projetés en l'air et chauffés à 8, 000°C avant de pleuvoir sous forme de trinitite nouvellement synthétisée.

Ce nouveau quasicristal est icosaédrique - possédant 20 faces - et est structuré avec 2 fois, Axes de symétrie 3 et 5 fois. Cela signifie qu'il y a trois perspectives spécifiques de cette structure 3D complexe qui se répètent à l'identique lorsqu'elle est tournée :l'une se répète deux fois, une trois fois, et les cinq autres fois. C'est l'axe 5 fois, comme le pentagone à deux dimensions dont nous savons qu'il ne peut pas tesseler, qui signifie que l'échantillon est un quasi-cristal.

C'est aussi un échantillon unique, parce que le quasicristal a du silicium, calcium et cuivre dans sa composition. Le cuivre, qui donne à la trinitite sa teinte rouge, est susceptible d'avoir trouvé son chemin dans le quasi-cristal via un ensemble de lignes de transmission qui passaient à proximité du site de l'essai de la bombe et ont été vaporisées avec le sable lors de la détonation.

Apprendre des quasicristaux

Pratiquement, les scientifiques des matériaux explorent l'application des quasicristaux pour exploiter leur faible conductivité thermique, ce qui est peut-être lié à leurs structures non périodiques. Ils ont déjà été utilisés comme revêtements dans des poêles à frire antiadhésives, par exemple. D'autres applications suggérées incluent les lumières LED et les instruments chirurgicaux, mais leur développement est à un stade précoce.

Mais si plus de ces curiosités cristallographiques et chimiques sont trouvées dans les débris laissés par les essais de bombes nucléaires, étudier leur composition pourrait également aider les scientifiques à comprendre les forces féroces en jeu au cœur des explosions nucléaires, un endroit qu'aucun instrument scientifique n'a encore mesuré directement.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.