Die erste Atombombe explodierte im Juli 1945. Der Trinity-Test in der Wüste von New Mexico war Teil des Manhattan-Projekts. Die Plutoniumbombe, die dabei detonierte, setzte die Energie von 25 Kilotonnen TNT frei. Die Menschheit sah erstmals einen Atompilz. Doch als der sich auflöste, blieb eine seltsame, glasartige Substanz zurück, die aus geschmolzenem Sand und verdampften Sensorkabeln bestand. Wissenschaftler nannten sie Trinitit.

In Trinitit haben Fachleute knapp 81 Jahre später ein Material identifiziert, das als Clathrat bezeichnet wird und in dieser Form bislang unbekannt ist. Clathrate haben ein käfigartiges chemisches Gitter, das andere Atome in seinem Inneren einschließt. »Es handelt sich um eine völlig neue Art von Clathrat-Kristall. Weder in der Natur noch in den Produkten einer nuklearen Explosion wurde es jemals zuvor gesehen«, sagt Luca Bindi, Geologe an der Universität Florenz und Mitautor der Studie, die den Fund detailliert beschreibt.

Das seltsame Material entstand unter äußerst ungewöhnlichen Bedingungen. Während der Trinity-Explosion geriet Sand in den entstehenden Feuerball. Auf den Sand wirkten Temperaturen von über 1500 Grad und Drücke von mehreren Gigapascal – das ist das Zehntausendfache des normalen atmosphärischen Drucks und reicht aus, um Graphit zu Diamant zu pressen. Materie verdampfte, vermischte sich und kühlte extrem schnell ab, wobei sie sich zu neuen Formen umordnete. »All dies geschah innerhalb von Sekunden, sodass die Atome keine Zeit hatten, sich zu stabilen Strukturen anzuordnen. Auf diese Weise entstehen ungewöhnliche Nichtgleichgewichtsmaterialien wie dieses«, erklärt Bindi.

Gefunden wurde das Clathrat im Inneren eines kupferreichen Metalltröpfchens, das in das Trinitit eingebettet war. Die »Käfig«-Formen des Clathrats bestehen dabei aus 12- und 14-seitigen Körpern – sogenannte Dodekaeder und Tetrakaidekaeder – aus Siliziumatomen. In diesen sind Kalziumatome und manchmal auch Kupfer- und Eisenatome eingeschlossen.

»Die kurzzeitigen extremen Bedingungen während des Trinity-Tests haben die Bildung metastabiler Phasen begünstigt, wie man sie in Laborexperimenten möglicherweise nicht nachstellen kann«, sagt Nelson Eby, Geowissenschaftler an der University of Massachusetts Lowell, der zuvor mit einigen der Studienautoren zusammengearbeitet hat, aber nicht an dieser Forschung beteiligt war. »Dies ist eine interessante neue Ergänzung des Clathrat-Universums.«

Der Clathrat-Kristall ist nicht die einzige neuartige chemische Verbindung, die in Trinitit entdeckt wurde. Im Jahr 2021 fanden Forscher um Luca Bindi darin einen Quasikristall – eine Art von Materie, die Wissenschaftler einst für unmöglich hielten und die traditionelle Vorstellungen darüber, wie Feststoffe entstehen, infrage stellt. Quasikristalle haben eine geordnete Struktur, aber ihre Atome wiederholen sich nicht periodisch wie bei normalen Kristallen.

Der einzige andere bekannte, natürlich entstehende Quasikristall wurde in Meteoritenfragmenten gefunden. Wissenschaftler vermuten, dass er während der feurigen Kollision zweier Asteroiden entstand, als das Sonnensystem noch jung war.

Der in Trinitit gefundene Quasikristall besteht aus denselben vier Elementen, aus denen sich auch das neu entdeckte Clathrat zusammensetzt: Eisen, Silizium, Kupfer und Kalzium. »Der im selben Material gefundene Quasikristall ist besonders faszinierend, da er unter denselben extremen Bedingungen entstanden ist und im Labor noch nicht reproduziert werden konnte. Damit ist er ein seltenes Beispiel für eine Struktur, welche die Natur geschaffen hat, die wir aber noch nicht vollständig nachbilden können«, sagt Bindi.

Die Wissenschaftler vermuten, dass sich die beiden Kristalltypen während der Explosion bei den gleichen Temperaturen und Drücken gebildet haben. In Bereichen, in denen Kupfer reichlich vorhanden war, entstand der Quasikristall, und wo Kupfer knapp war, das Clathrat. »Diese Arbeit unterstreicht, wie seltene, äußerst energiereiche Ereignisse wie nukleare Detonationen, Blitz- und Meteoriteneinschläge als natürliche Laboratorien für die Erzeugung unerwarteter kristalliner Materie dienen«, schreiben die Autoren in ihrer Veröffentlichung.