Am Morgen des 6. August 1945 warf das US-Militär eine Atombombe über der japanischen Stadt Hiroshima ab – es war der weltweit erste Einsatz einer Kernwaffe in bewohntem Gebiet. Die Bombe explodierte in 600 Meter Höhe und erzeugte einen 7000 Grad heißen Feuerball, der sich in rasendem Tempo durch die Stadt ausbreitete und alles in seinem Weg vernichtete. Beton, Metall, Glas und andere Materialien verdampften und bildeten eine riesige Plasmawolke. Innerhalb von Sekunden wurde das Stadtzentrum von Hiroshima zerstört, 80.000 Menschen starben nahezu instantan.
Dieses Foto machten US-Soldaten von der „Enola Gay“ aus, nachdem die von ihnen über Hiroshima abgeworfenen Atombombe explodiert war. — © US Army/ 509th Operations Group
„Die Atomexplosion von Hiroshima ist bis heute eines der schlimmsten Ereignisse der Menschheitsgeschichte“, sagt Luca Bindi von der Universität Florenz. Doch aus dieser Katastrophe entstand auch neues Wissen – über die verheerenden Folgen einer Atomwaffe, aber auch über die exotischen Materialien, die unter den Extrembedingungen einer solchen Atomexplosion entstehen.
Fallout-Körnchen als Testobjekt
Eines dieser exotischen Relikte haben Bindi und sein Team jetzt in Hiroshima entdeckt. Für ihre Studie hatten sie aus der Bucht nahe der Stadt Proben des Fallouts der Atomexplosion genommen und im Labor untersucht. Die winzigen Körnchen sind nur wenige hundert Mikrometer groß und entstanden, als das im Feuerball verdampfte Material wieder auskondensierte und zu Boden fiel. „Wenn wir diese Körnchen unter dem Mikroskop betrachten, erscheinen sie wenig auffällig“, sagt Bindi. „Aber jedes von ihnen ist eine winzige Zeitkapsel.“
Bei der Analyse der Fallout-Körnchen stießen Bindi und sein Team auf ein Exemplar, das herausstach. Das Körnchen bestand aus einer Glasmatrix, in die winzige metallische Einschlüsse eingebettet waren. Chemische Analysen enthüllten, dass dieses Metall aus einer Mischung von Eisen, Chrom, Silizium, Nickel, Mangan, Molybdän und Aluminium bestand – schon diese hohe Zahl verschiedener Metalle auf engstem Raum ist ungewöhnlich. „Die Zusammensetzung passte zu keinem der schon zuvor in Rückständen von Atomexplosionen entdeckten Materialien“, berichtet Bindi.
Einzigartige Kristallstruktur
Noch ungewöhnlicher war jedoch die Art und Weise, in der diese Metalle miteinander verbunden waren: Analysen mittels Röntgenstreuung enthüllten, dass die Metalle einen geordneten Kristall bildeten. „Das war überraschend, denn diese atomare Struktur unterscheidet sich von allen bisher bekannten“, sagt Bindi. Die verschiedenen Elemente bilden eine Metalllegierung, deren Komponenten zwar denen im Edelstahl ähneln. Sie weisen aber eine andere, viel härtere Kristallstruktur auf.
„Wir sehen hier eine zuvor unbekannte Verbindung, ein neuartiges Material, dessen Kristallstruktur noch nie in diesem Kontext dokumentiert wurde“, berichtet Bindi. Doch wie kam diese ungewöhnliche Struktur zustande? Die Forschenden vermuten, dass das Fallout-Körnchen durch eine schockartige Abkühlung des metallhaltigen Dampfs entstand. Dabei erstarrten die Elemente in einer atomaren Anordnung, die bei langsamerem Abkühlen nicht stabil wäre.
Strukturschema der neuartigen Metalllegierung. Grüne Kugeln entsprechen verschiedenen Metallatomen (Eisen, Chrom, Nickel, Mangan und Molybdän), die gelben Kugeln sind Silizium-Atome. — © Bindi et al./ Science Advances, CC-by-nc 4.0
Exotische Hochenergie-Materialien
„Diese Entdeckung ist aus mehreren Gründen wichtig“, betont Bindi. „Zum einen erweitert sie unser Wissen darüber, wie sich Materie unter extremen Temperaturen, Drücken und Abkühlungsraten verhält. Zum anderen zeigt sie, dass Extremereignisse wie eine Atombombenexplosion, Meteoriteneinschläge und andere Hochenergie-Phänomene neuartige Legierungen und Kristallstrukturen hervorbringen können.“
Bereits 2021 hatten Bindi und sein Team in den Überresten einer anderen Atomexplosion ein ebenfalls völlig neues Material entdeckt: In den Relikten des Trinity-Tests vom 16. Juli 1945 – des ersten Atomwaffentests der Welt – hatten sie einen zuvor unbekannten ikosahedrischen Quasikristall nachgewiesen. Bei solchen Quasikristallen wechseln sich im Kristallgitter mehrere geometrische Grundformen ab. Aus der Natur sind bisher nur rund eine Handvoll solcher Strukturen bekannt.
„Die Struktur der jetzt im Hiroshima-Fallout entdeckten Legierung ist zwar anders, beide Entdeckungen beruhen aber auf einem ähnlichen Prinzip“, erklären die Forschenden. Der Quasikristall und die neuartige Metalllegierung sind demnach Teil eines Kontinuums von Multielement-Verbindungen, die unter energiereichen Extrembedingungen entstehen.
Vorbild für neuartige Werkstoffe?
Spannend ist das neuentdeckte Material aber noch aus einem ganz praktischen Grund: „Multikomponenten-Legierungen sind im modernen Legierungs-Design ein großes Thema, denn sie können Eigenschaften miteinander kombinieren, die man mit normalen Legierungen nicht erreichen kann“, erklären Bindi und seine Kollegen. Beispiel dafür sind Materialien, die besonders hart sind, aber trotzdem nicht spröde, oder Metalllegierungen, die selbst bei Hitze oder Belastung stabil bleiben und nicht korrodieren.
Die jetzt im Hiroshima-Fallout entdeckte Multi-Legierung ist durch ihre Kristallstruktur besonders fest und könnte daher zum Vorbild für neuartige Metallmaterialien werden. „Selbst wenn sich die genaue Zusammensetzung der Hiroshimait-Legierung nicht direkt als Blaupause für eine technische Legierung eignet, können die Struktur und Chemie auf ein breiter anwendbares Designprinzip hinweisen“, erklären die Forschenden.
Quelle: Luca Bindi (Università degli Studi di Firenze, Florenz) et al., Science Advances, 2026; doi: 10.1126/sciadv.aeg8299
