«Наша реакция была — „Вау!“»: ректор ЧелГУ Сергей Таскаев — об открытии в пыли Челябинского метеорита загадочных кристаллов
В пыли Челябинского метеорита найдены необычные кристаллы и волоски. В статье, опубликованной 7 мая в журнале EPJ Plus, российские ученые вместе с зарубежными коллегами показали, что загадочные частицы оказались ранее неизвестной формой углерода, по форме напоминающей алмаз. Почему это открытие стало настоящей “бомбой”, RTVI рассказал доктор физико-математических наук, ректор Челябинского государственного университета Сергей Таскаев, руководивший исследованием.
Челябинский метеорит
Астероид вошел в атмосферу Земли 15 февраля 2013 года. Позднее ученые NASA установили, что его диаметр составлял около 17 метров, а масса — примерно 10 тысяч тонн. От взрыва пострадали 1615 человек, большинство — из-за выбитых стекол. Около 100 жителей Челябинской области были госпитализированы. Основная часть метеорита упала в озеро Чебаркуль — вес этого фрагмента составил 600 кг, сегодня он выставлен в качестве экспоната в Музее Южного Урала. Позднее ученые, в том числе с помощью моделирования, установили, что болид взорвался на высоте около 23 км, сам астероид принадлежал к хондритам группы LL, а энергия взрыва составляла до 500 кт в тротиловом эквиваленте.
Сергей Валерьевич, как в вашу жизнь ворвался Челябинский метеорит?
В 2013 году я был деканом физического факультета и стал непосредственным свидетелем падения. Был на улице, вез ребенка в садик. Мы увидели яркую засветку домов и передвижение теней. Такое впечатление, что кто-то запустил осветительную ракету, причем очень мощную.
Почему вы решили собирать именно пыль от метеорита?
Вскоре мы поехали в сторону падения метеорита, где собрали большое количество фрагментов. Нам повезло с погодными условиями: за неделю до падения и неделю после шел снег, который законсервировал все, что выпало в течение этого периода.
Саму идею сбора пыли предложил мой коллега, астрофизик Николай Горькавый. Мы собрали образцы пыли и сначала их отложили, потому что в основном в первые годы изучали непосредственно фрагменты метеорита. В них оказалось много интересного, например, тетратенит (сплав железа и никеля). Это природный аналог современных постоянных магнитов, который синтезируются в космосе, а на земле его синтезировать очень и очень сложно.
Примерно 99% массы метеорита было рассеяно в атмосфере в виде пыли, и до земли долетел лишь 1% вещества. Метеориты класса хондритов достаточно хорошо изучены. Но метеоритная пыль была собрана впервые и именно в пыли было найдено самое интересное. Рассматривая ее образцы в оптическом микроскопе, я обнаружил кристалл размером примерно 50 микронов, причем, он был развернут ко мне гексагональной гранью, поэтому очень хорошо отражался и блестел. Найти кристалл в пыли уже было забавно, поэтому мы решили изучить его в более точном электронном микроскопе.
Оказалось, что эта частичка полностью состоит из углерода, что, конечно, фантастика, если учесть, что в метеороиде углерода не было. То, что мы увидели, стало настоящей «бомбой», потому что углерод в кристаллическом состоянии — это алмаз, а алмаз с гексагональной симметрией существовать может только в фазе лонсдейлита, ранее не наблюдаемой на макроскопических масштабах. Поясню, что у обычного алмаза кубическая решетка и чисто физически он не может образовывать гексагональные грани. Но у алмаза есть очень необычная форма лонсдейлита, который впервые был найден в образцах метеорита из кратера Берринджера в Аризоне. Поэтому мы трижды ездили в Аризону, чтобы найти образцы этого минерала.
Итак, мы увидели частичку углерода с признаками кристаллического состояния, которая, по-видимому, была макроскопическим образцом гексагонального алмаза -лонсдейлита. Наша реакция была — Вау!
Что показало дальнейшее исследование?
Дальше мы начали исследовать ее [частичку] уже более подробно. В МИСиСе (Московском институте стали и справов) сделали рамановскую спектроскопию, ведь в науке нельзя поддаваться желанию что-нибудь упростить. Оказалось, это не то, что мы думали, а спектр частицы совпал со спектрами графена. История получилось еще интереснее — фактически мы обнаружили объект, состоящий из углерода, обладающий признаками кристаллической симметрии, но состоящий из его двумерно упорядоченной формы — графена!
Так возникла гипотеза, что перед нами объект, который состоит из графитовых стопок, экзотическим образом упорядоченных и образовавших такую красивую сферическую частичку с осью симметрии шестого порядка на одной из граней.
Я приехал к коллегам в Германию, где мы сделали микродифракцию со столь малого объекта, которая подтвердила, что эта частичка состоит из графитовых стопок, упорядоченных особым образом. Перед нами был трехмерный упорядоченный объект, напоминающий кристалл, но кристаллом не являющийся. Фактически коллеги из Технического университета Дармштадта сделали виртуозную микрохирургию этой очень хрупкой частички размером меньше волоса, экстрадировав ее из подложки и подробнейшим образом изучив.
Много ли этих кристаллических частиц было в этой пыли?
Думаю, что там над Челябинском были миллиарды таких частиц — настоящее небо в «алмазах».
Как они возникли?
В Красноярске мы совместно с корейцами и коллегами из Сибирского отделения Академии наук провели теоретическое моделирование. Ранее в научной литературе были опубликованы результаты исследований, в которых проводилось изучение состава верхних слоев атмосферы, где было обнаружено содержание различных фуллеренов и нанотрубок. Оказывается, на высотах 10-20 км присутствуют и фуллерены и нанотрубки в достаточно высокой концентрации. И вот эти наноразмерные объекты, по моей версии, могли быть центрами кристаллизации углерода.
С помощью методов квантовой механики была просчитана энергия образования такого рода структур. И оказалось, что они энергетически выгодны и могут синтезироваться как раз в этом варианте.
А откуда в атмосфере эти фуллерены и нанотрубки?
Их источниками могут быть объекты промышленного производства, их может заносить и из космоса… природа их совершенно различная.
Откуда же взялся прилипший на них углерод?
Он появился при диссоциации CO2. Концентрация СО2 над северным полушарием гораздо выше, чем над южным, что неудивительно — именно в северном полушарии расположены основные производства. Однако CO2— очень стабильная молекула, которая распадается при больших температурах в тысячи градусов Цельсия. Но в присутствии катализаторов, которыми на удивление оказались железо и никель (а они были в составе метеорита), температура распада может понижаться до нескольких сотен градусов по Цельсию. Этот восстановленный углерод и шел на образование таких квазикристаллов.
Была и еще одна интересная вещь, которую мы обнаружили в пыли — необычные волоски.
Углеродные частицы и “волосы” в пыли Челябинского метеорита
Когда извергаются вулканы, они выбрасывают расплавленные породы, которые вытягиваются и застывают, образуя волоски. Их называют волосами Пеле и нередко находят при исследовании кернов, например, полярных льдов. Считалось, что они являются свидетелями неких извержений, которые происходили в прошлом. Выяснилось, это не совсем так и их появление обуславливается не только вулканической деятельностью. Мы доказали, что эти же волоски могут образовываться при пролетах больших космических тел, состоящих из хондритов — по большому счету алюмосиликатов с примесями, которые в результате абляции вещества теряют материю, и она из расплава вытягивается в такие волоски. Это, по сути, новый подход к датировке падения больших космических тел, дата падения которых сегодня, в тех же кернах, определяется по наличию сферул — микроскопических шариков.
Почему вы уверены, что углеродные частицы появились именно при падении метеорита?
Вопрос совершенно правильный. Поэтому в течение четырех лет мы собирали пыль по той же самой методике и в том же самом месте и ничего подобного больше не видели, хотя некоторые коллеги апеллировали к тому, что наш регион промышленный и могло что-то «налететь с трубы»…
Ранее подобные частицы находили в атмосфере?
Ничего подобного ранее не было обнаружено. Это действительно уникальный объект. Мы еще раз показали, что углерод — удивительный материал, который может принимать совершенно различные формы.
Фактически нами обнаружена новая форма существования углерода — углеродный квазикристалл. У углерода есть масса разных форм— карбин, карбон, графан, графен, графин, углеродные нанотрубки, углеродные фуллерены и прочие. Алмаз — это тот же самый углерод. Оказывается, на свете есть еще и форма упорядочения квазидвумерных материалов в виде квазикристалла. Ее надо дальше изучать и, возможно, мы обнаружим какие-то новые физические и химические свойства, пригодные для практики.
Челябинский метеорит объединил вас вместе с зарубежными коллегами — корейцами и немцами. Продолжилось ли ваше сотрудничество в новых политических реалиях?
Я про всех ученых говорить не буду, но из тех коллег, с которыми я работаю, ни один не отказался от сотрудничества. Я являюсь членом общеевропейского семинара по функциональным материалам, по физике магнитных явлений. Наша группа регулярно участвует в работе международных конференций и семинаров, мы продолжаем совместно публиковаться. Идет абсолютно конструктивный диалог. Фундаментальная наука космополитична в принципе и должна такой оставаться.