80 ans après le test nucléaire Trinity, des chercheurs identifient un cristal piégeant des molécules

Le souffle de 1945 et les vestiges de la matière

La matière adopte des comportements singuliers lorsqu’elle est soumise à des conditions extrêmes. Bien souvent, les traces physiques de ces changements subsistent même lorsque l’environnement retrouve son état habituel. L’essai nucléaire Trinity, survenu en 1945, a généré ce type de résidus de manière spectaculaire.

Aujourd’hui, 80 ans après cette explosion historique, une équipe de chercheurs a identifié un nouvel exemple unique illustrant ce qui se produit lorsque divers matériaux sont exposés à une chaleur dépassant 1 500 °C (2 730 °F) et compressés sous des pressions atteignant des dizaines de milliers de fois la pression atmosphérique.

Les scientifiques décrivent un composé de type clathrate n’ayant jamais été observé auparavant parmi les produits d’une explosion nucléaire. Leurs travaux font l’objet d’une nouvelle étude parue dans les Proceedings of the National Academy of Sciences.

La trinitite rouge, une mémoire vitrifiée du désert

Les conditions extrêmes déclenchées par l’explosion de Trinity, suivies d’un processus de refroidissement rapide, ont littéralement fusionné les particules provenant de la tour d’essai du site, de son infrastructure en cuivre et d’importants volumes de sable environnant du désert du Nouveau-Mexique. Ce phénomène a engendré un matériau vitreux, baptisé trinitite.

La majorité des échantillons de trinitite affichent une teinte verte. Il existe cependant une déclinaison plus rare de ce matériau, appelée « trinitite rouge ». Cette variante spécifique est enrichie en métaux issus de la vaporisation de la tour, des câbles coaxiaux et des instruments d’enregistrement présents sur le site de Trinity. C’est précisément à l’intérieur de cette forme que les chercheurs ont pu repérer le nouveau composé cristallin.

« L’investigation systématique des gouttelettes métalliques dans la trinitite rouge a révélé une gamme de phases inhabituelles, reflétant les environnements chimiques uniques produits pendant l’explosion, » écrivent les auteurs de l’étude pour contextualiser leur découverte.

L’identification inédite d’une cage moléculaire

Pour analyser les échantillons de trinitite rouge, l’équipe scientifique s’est appuyée sur des analyses à la microsonde électronique ainsi que sur la diffraction des rayons X. Ces techniques ont permis d’identifier une faible quantité de clathrate. Il s’agit d’un composé cristallin constitué d’un réseau agissant comme un piège, retenant des molécules hôtes à l’intérieur de structures en forme de cage. Le clathrate a été mis au jour dans une gouttelette de métal riche en cuivre, incrustée dans la trinitite.

Le matériau identifié se compose de silicium, de calcium, de cuivre et d’une petite portion de fer, avec une composition précise établie à Si 85 Ca 12 Cu 2 Fe 1. L’ensemble adopte une structure cubique de clathrate de type I. Dans ce cas précis, la structure en forme de cage retient un atome de calcium en son centre.

« Nous rapportons la découverte d’un clathrate de type I Ca–Cu–Si précédemment inconnu formé pendant l’essai nucléaire Trinity, représentant la première occurrence cristallographiquement confirmée d’un clathrate parmi les produits solides d’une détonation nucléaire. Sa structure, sa composition et son caractère métastable reflètent une formation sous des conditions de pression et de température extrêmes et éphémères inaccessibles à la synthèse de laboratoire à l’équilibre, » souligne l’équipe de recherche dans la publication.

Un lien complexe avec un quasi-cristal mystérieux

De précédents travaux avaient déjà permis de découvrir un quasi-cristal icosaédrique riche en silicium (Si) au sein d’une zone riche en cuivre de la trinitite rouge. Toutefois, les origines ainsi que la structure exacte de ce quasi-cristal demeuraient incertaines. Les similitudes observées entre ce quasi-cristal et la nouvelle forme de clathrate ont rapidement interpellé les chercheurs.

« Ce quasi-cristal s’est formé sous des conditions extrêmes identiques, se produit à l’intérieur de gouttelettes métalliques similaires riches en Cu, et présente une chimie inhabituellement riche en Si dans le système Ca–Cu–Si–(Fe). Comme le clathrate et le quasi-cristal sont tous deux faits d’éléments typiques trouvés soit dans le sable du désert soit dans la tour métallique, il semble évident que les deux ont été formés dans la détonation, » notent les auteurs de l’étude.

Afin de déterminer la nature de la relation potentielle entre ces deux formations, l’équipe a mené des calculs fondés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). L’objectif était de tester la stabilité des modèles de clathrate et de quasi-cristal, et de vérifier si les structures du clathrate pouvaient rester viables à mesure que la teneur en cuivre s’approchait du niveau mesuré dans le quasi-cristal de Trinity.

Des laboratoires naturels pour la physique de l’extrême

L’équipe a mis en évidence des limites claires concernant la relation structurelle entre les phases cristallines du quasi-cristal et celles du clathrate. Les structures dérivées du clathrate ne se sont révélées stables qu’à de faibles niveaux de cuivre, situés aux alentours de 10 à 11 %. À l’inverse, elles ne supportent pas la forte teneur en cuivre observée dans le quasi-cristal de Trinity. Des niveaux de cuivre plus élevés, de l’ordre de 21 %, ont conduit à une instabilité structurelle, à la perte de la topologie du clathrate et à une amorphisation. Ainsi, malgré des origines communes, des niveaux de cuivre différents ont engendré des types de structures distincts.

Ces formes rares de matière ont un caractère métastable et ne se forment que dans des conditions extrêmes et éphémères, ce qui les rend extrêmement difficiles à reproduire en laboratoire. La structure réelle du quasi-cristal de Trinity n’est pas encore résolue à ce jour en raison de la petite taille de l’échantillon, de sa grande valeur et des risques liés à sa manipulation. Cependant, cette nouvelle découverte offre des éléments pour affiner la connaissance de son architecture matérielle.

« Ces découvertes excluent une interprétation structurelle simple basée sur le clathrate pour le quasi-cristal de Trinity et soulignent la nature distincte des phases riches en Si générées sous des conditions extrêmes. Plus largement, ce travail souligne comment les événements rares à haute énergie — tels que les détonations nucléaires, les frappes de foudre et les impacts à hypervitesse — servent de laboratoires naturels pour produire une matière cristalline inattendue et pour tester et contraindre de manière critique des modèles structurels hors de portée de la synthèse conventionnelle, » concluent les auteurs.

Selon la source : phys.org