Un quasi-cristal « impossible », héritage fascinant et controversé du premier essai nucléaire historique de Trinity

À 5 h 29 du matin le 16 juillet 1945, dans l’État du Nouveau-Mexique, une terrible tranche de l’histoire de la science et de la technologie s’est écrite. Le premier essai d’une bombe nucléaire au Nouveau-Mexique, connu sous le nom de test Trinity, a eu lieu. Cet événement, bien que principalement associé à ses implications militaires et politiques, a également engendré un phénomène scientifique surprenant et méconnu : la création d’un quasi-cristal. Il s’agit d’une structure matérielle dont l’existence même remet en question les principes établis de la cristallographie. Ce quasi-cristal, issu de conditions extrêmes nucléaires, révèle non seulement des aspects inédits de la science des matériaux, mais soulève également des questions importantes sur les retombées inattendues des activités humaines. Les travaux de l’équipe internationale à l’origine de cette découverte, en 2021, sont disponibles dans la revue PNAS.

Le premier essai nucléaire de l’humanité

Le test Trinity de 1945 marque le tout premier essai d’une bombe nucléaire. Il est réalisé dans le cadre du Projet Manhattan. Pour rappel, il s’agissait d’une initiative secrète dirigée par les États-Unis avec le Royaume-Uni et le Canada. Ce projet, supervisé par des scientifiques éminents tels que J. Robert Oppenheimer, a mobilisé des ressources considérables pour développer la première bombe atomique. L’essai de Trinity a marqué l’entrée dans l’ère nucléaire, changeant à jamais le cours de l’histoire mondiale.

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Une vue aérienne de Ground Zero, 28 heures après le test de Trinity le 16 juillet 1945. © Los Alamos National Laboratory

L’explosion qui suivie, était d’une puissance de 21 kilotonnes de TNT. Elle a transformé instantanément le paysage environnant, générant une onde de choc ressentie sur des kilomètres. La libération d’énergie a vaporisé la tour d’essai de 30 mètres et des kilomètres de fils de cuivre la reliant à l’équipement d’enregistrement. La tour et le cuivre ont fusionné avec l’asphalte et le sable du désert pour former du verre vert. Ce nouveau minéral est appelé trinitite. Au sein de cet écrin, un quasi-cristal s’y cachait, une structure inédite sur Terre.

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Image générale au microscope électronique à balayage rétrodiffusé de la surface polie de l’échantillon étudié (à gauche). Le petit grain brillant enfermé dans le cercle pointillé rouge est le quasi-cristal. Cartes radiographiques combinées (à droite) de la même partie de l’échantillon. © L. Bindi et al., 2021

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Un phénomène scientifique nucléaire inédit : l’émergence d’un quasi-cristal impossible

Les quasi-cristaux, découverts dans les années 1980, représentent une anomalie dans le monde de la cristallographie. Traditionnellement, les cristaux, comme le sel ou le quartz, sont connus pour leur structure atomique ordonnée et périodique. Le motif d’atomes se répète de manière régulière dans les trois dimensions de l’espace. Cependant, les quasi-cristaux brisent cette norme établie.

Dans un quasi-cristal, bien que les atomes soient disposés de manière ordonnée, ils ne suivent pas un motif périodique. Cela signifie que, bien que la structure soit stable et définie, elle ne se répète pas à intervalles réguliers comme dans les cristaux classiques. Cette caractéristique rend les quasi-cristaux uniques et leur confère des propriétés physiques particulières.

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Image au microscope électronique à balayage rétrodiffusé de la gouttelette métallique étudiée (en haut) contenant la phase quasi cristalline. Des cartes radiographiques de la même zone sont présentées ensuite. © L. Bindi et al., 2021

Le quasi-cristal découvert dans le trinitite rouge, matériau formé lors de l’explosion nucléaire de Trinity, en est un exemple parfait. Il est composé de silicium, de cuivre, de calcium et de fer. Mais on y trouve également des éléments fusionnés sous l’effet de l’explosion nucléaire à partir du sable du désert, des câbles de cuivre et d’autres composants présents sur le site.

Sa structure atomique présente une symétrie rotationnelle à cinq branches. C’est une caractéristique considérée comme impossible dans la nature. En d’autres termes, si vous tournez ce quasi-cristal autour d’un axe central, il présentera cinq orientations dans lesquelles il semble identique. Le groupe de symétrie du quasi-cristal est le même que celui du solide régulier à 20 côtés, l’icosaèdre, et la chimie est donnée par la formule Si61Cu30Ca7Fe2.

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Implications scientifiques du quasi-cristal

Sur le plan scientifique, la stabilité et la structure unique des quasi-cristaux ouvrent des perspectives de recherche inédites. Contrairement aux structures cristallines classiques, les quasi-cristaux ne se dégradent pas avec le temps. Ce sont de fait des témoins durables des conditions extrêmes sous lesquelles ils se forment.

Terry C. Wallace, directeur du Laboratoire national de Los Alamos et co-auteur de l’article, explique dans un communiqué : « Les quasi-cristaux se forment dans des environnements extrêmes qui existent rarement sur Terre ». Il ajoute : « Ils nécessitent un événement traumatisant avec un choc, une température et une pression extrêmes. Nous ne voyons généralement pas cela, sauf dans quelque chose d’aussi dramatique qu’une explosion nucléaire ».

Les auteurs estiment que les conditions thermodynamiques/chocs dans lesquelles ce quasi-cristal s’est formé sont à peu près comparables à celles qui ont formé les quasi-cristaux naturels découverts dans la météorite Khatyrka. Cette dernière remonte au moins à des centaines de millions d’années, voire aussi loin que le début du système solaire.

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Implications politiques du quasi-cristal « nucléaire »

La découverte du quasi-cristal formé lors du test nucléaire Trinity transcende le simple cadre de la curiosité scientifique. Elle offre un nouvel outil potentiel pour la surveillance et le contrôle des essais nucléaires.

Les méthodes actuelles de détection reposent largement sur l’analyse des débris radioactifs, qui peuvent se dégrader ou être dissimulés. En revanche, les quasi-cristaux, en raison de leur stabilité, offrent une « signature » matérielle durable des explosions nucléaires. Cela signifie qu’ils pourraient être utilisés pour identifier les sites d’essais nucléaires passés, même longtemps après l’événement, et fournir des informations précieuses sur la nature de l’explosion.

En outre, la capacité de détecter et d’analyser ces quasi-cristaux pourrait dissuader les essais nucléaires clandestins. Dans un monde où la prolifération nucléaire reste une préoccupation majeure, disposer d’un moyen fiable de tracer et de comprendre les essais nucléaires représente un atout considérable pour les efforts internationaux visant à prévenir la propagation des armes nucléaires. Rappelons que l’Horloge de l’Apocalypse a été avancée à 90 secondes de minuit. Il s’agit de l’heure la plus proche de la fin du monde, depuis sa création en 1947, suite au projet Manhattan.

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Source : L. Bindi et al., “Accidental synthesis of a previously unknown quasicrystal in the first atomic bomb test”, PNAS, 2021

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