Наука в фокусе, Под давлением

Поваренная соль человеку, безусловно, необходима. В нашем организме этот широко распространенный минерал отвечает за распределение жидкости между клетками и внеклеточной средой. Состоящая из натрия и хлора, соль играет также ключевую роль в работе сердца, в передаче нервных импульсов и в усвоении питательных веществ. Зная, насколько распространена соль в природе и как много ее употребляется в пищу, вы, наверное, подумаете, что нам уже всё известно об этом веществе, химическая формула которого NaCl. А вот и нет!

Принято думать, что NaCl — единственное вещество, которое может быть создано из натрия (Na) и хлора (Cl). Известно, что химические соединения предпочитают формироваться с помощью самых сильных химических связей. Атом натрия в составе молекулы соли легко может отдать внешний электрон, образуя ион с положительным зарядом), в то время как хлор, наоборот, имеет свободное место для одного электрона. Поэтому натрий радостно отдает электрон, а хлор его забирает. В результате возникает в целом нейтральная химически стабильная молекула. Это означает, что она не склонна распадаться на первоначальные элементы или превращаться в иную молекулу. По крайней мере, так думали до сих пор.

Измененная химия

В прошлом году ученые из Китая, России и США поместили крохотные кристаллы соли под гигантское давление — под нагрузку, которая на порядок превосходит давление на дне океана. То, что в результате обнаружилось, стало полной неожиданностью: вещество начало образовывать так называемые запрещенные молекулы, которые, как думали экспериментаторы, не могут существовать в принципе. «Это исследование изменит наши способы изучения и применения химии», — убежден Артём Оганов, профессор университета штата Нью-Йорк и МГУ им. М.В. Ломоносова, ведущий автор этой работы.

1322322

При помещении соли под давление примерно 20 гигапаскалей (в 200 тыс. раз больше атмосферного) вместе с небольшим количеством дополнительных атомов натрия и хлора Оганов и его коллеги получили такие небывалые молекулы, как NaCl3 и Na3Cl. Эти молекулы не могут быть электрически нейтральными и обладают зарядами –2 и +2 соответственно, что запрещают стандартные химические законы.

Хотя ученые точно не могут сказать, почему подобные молекулы формируются (известно только, что реакции протекают в течение пары секунд), они полагают, что под высоким давлением, по всей видимости, меняются химические законы. «Наша работа свидетельствует в пользу существования нового класса соединений, ранее не замеченных химиками, — говорит Оганов. — Очевидно, химикам еще предстоит многое узнать о химических связях и закономерностях, определяющих стабильность соединений и увеличить число основных химических законов». В результате появятся самые причудливые структуры.

Интересно, что возникающий из соли под высоким давлением Na3Cl может оказаться прекрасным проводником. Обычная соль — очень плохой проводник электричества, но новое вещество состоит из чередующихся слоев NaCl и чистого натрия. Слои натрия толщиной в один атом очень похожи на двумерную структуру графена и могут проводить электричество при комнатной температуре. Таким образом, графен, которому давно прочат множество самых разных применений, получит еще одного серьезного соперника.

1322332

Пусть прямо сейчас для этих специфических материалов применения не найдут (ведь они стабильны лишь под давлением), однако физик Алекс Гончаров из института Карнеги в Вашингтоне уверен, что новая работа открывает возможность создания новых соединений, которые будут существовать уже при обычном атмосферном давлении.

«Мы полны энтузиазма в связи с тем, что нашли простой способ получения совершенно невероятных соединения», — говорит он. Другие соединения из этой группы, которые открыты на данный момент, включают KCl3 и CsF2 — вещества, содержащие калий (K), хлор (Cl), цезий (Cs) и фтор (F). В отличие от NaCl3 и Na3Cl, они устойчивы при нормальном атмосферном давлении и могут использоваться для временного хранения при низкой температуре таких токсичных газов, как фтор и хлор, поскольку распадаются при небольшом нагреве, выделяя удерживаемые газы.

Замечательно не только то, что получено новое вещество, но и простота метода, который для этого потребовался. Всё, что нам нужно, чтобы открыть ворота в новый химический зоопарк, — это лишь немного давления. Ну, хорошо, хорошо — много давления…

Cлоны на каблуках

Давление — это мера того, насколько сильно что-то создает непрерывную нагрузку на объект, с которым оно находится в контакте. Давление — это сила, приложенная к области контакта.

1322324

Представьте взрослого слона, весящего около 5,5 тонны. Его вес будет прикладывать определенную силу к поверхности. Если эту силу распределить по большей площади (скажем, слон будет лежать), то давление будет относительно небольшим. Но если слон ухитрится встать на один каблук-шпильку (с квадратным концом со стороной 0,4 мм), то давление будет огромным. Наконец, если на этого слона на шпильке поставить сверху еще около 650 слонов, то давление под этой шпилькой будет равным давлению в ядре Земли.

Хотя ученые обычно не располагают 650 слонами в своей лаборатории, они изготавливают алмазы (один из самых твердых известных материалов) с помощью сдавливания. Делают это с конца 1950-х годов, после того, как в Национальном бюро стандартов США (сейчас известном как Национальный институт стандартов и технологий) была изобретена ячейка с алмазными наковальнями. Такие ячейки состоят из двух противопоставленных и особым образом ограненных алмазов шириной около миллиметра и весом около 0,2 карата (40 мг). Вершины алмазов срезаны и отполированы настолько тщательно, что могут сжимать образец с абсолютно одинаковой и противоположной по направлению силой. Верите вы или нет, но давление в ней создается таким простым способом, как затягивание болтов, соединяющих две стороны ячейки с помощью обычного гаечного ключа. Ячейка создает на образце давление около 300 ГПа — примерно то же, что и в земном ядре.

Кристаллы, такие, как NaCl, составлены из повторяющихся трехмерных «коробочек», известных как элементарные ячейки. Например, элементарная ячейка соли имеет кубическую форму, кристалл соли состоит из повторяющихся в определенном порядке ионов натрия и хлора. Когда давление начинает воздействовать на материал, оно сдавливает эту структуру, медленно сокращая расстояние между атомами в элементарной ячейке. Преимущество использования алмазов состоит в том, что они прозрачные, значит, для изучения структуры вещества и того, как она меняется под давлением, могут быть использованы рентгеновские лучи.

Применяя ячейки с алмазными наковальнями, ученые могут исследовать сдавливаемые материалы при разных температурах. Физик из Оксфордского университета Эндрю Джефкот (Andrew Jephcoat) использовал давление, чтобы понять, как водород (химический символ H) образовывал необычные слабо связанные соединения с другими газами, такими, как криптон (Kr) и ксенон (Xe). Это привело к открытию нового семейства чудесных соединений, таких, как Kr(H2)4. «Эти вещества интересны, поскольку показывают сложность возможных химических связей и помогают выяснить, как водород сам по себе может вести себя при экстремальных давлениях», — объясняет Джефкот. Он добавляет, что его работа может быть использована для конструирования новых материалов, которые можно использовать для компактного хранения водорода. Это ключевая технология автомобилей будущего, преобразующих энергию топлива в электричество с помощью простой химической реакции с кислородом.

Другая активно развиваемая область исследований — изучение сверхпроводимости, материалов, которые позволяют потоку электронов перемещаться вообще без сопротивления, таких, как диборид магния (MgB2). Большинство сверхпроводников требует охлаждения до температуры –200 °C, прежде чем эффект начнет проявляться. Если удастся найти сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, это станет настоящим прорывом. Воздействуя давлением на вещества, можно либо увеличить температуру, при которой они становятся сверхпроводящими, либо даже создать вещества, которые изначально не были сверхпроводниками, но при равномерном сдавливании внезапно превращаются в них.

Более того, Оганов вместе с Чжаном Вэйвэем (Weiwei Zhang) из университета штата Нью-Йорк используют свою программу предсказания кристаллических структур, названную USPEХ (аббревиатура не случайна — попробуйте прочитать это слово по-русски), чтобы вычислить целый класс новых экзотических веществ, которые должны существовать в нормальных условиях. Это на несколько следующих лет даст работу экспериментаторам, которые будут пытаться получить их и подыскать им подходящее применение.

«И это еще только начало», — заявляет Оганов.

Прощупывая ядро земли

Изучение материалов под гигантским давлением помогает понять происходящее в центре нашей планеты.

Одна из самых любопытных целей исследования высоких давлений — это воспроизведение в лаборатории условий, которые царят в центрах планет. Исследователи могут помещать железо и его сплавы под давление около 300 ГПа, что сопоставимо с давлением во внутреннем ядре Земли. Затем можно проверить, при какой температуре эти материалы плавятся, исследовать их кристаллическую структуру и измерить плотность. Подобные данные могут сопоставляться со свойствами ядра, которые нам известны благодаря зондированию сейсмическими волнами. Это позволяет ученым так подобрать состав исследуемых материалов, чтобы он наилучшим образом соответствовал этим свойствам, и тем самым понять, из чего состоит земное ядро. «Это помогает нам изучить химию Земли при различных температурах, подробности процесса ее формирования», — говорит геофизик Оливер Лорд (Oliver Lord) из Бристольского университета (Великобритания).

Эндрю Джефкоат (Andrew Jephcoat) из Оксфордского университета также использует высокое давление, чтобы исследовать ядро Земли. Он изучает, как гелий может «утекать» из расплавленных сплавов железа и других металлов, а также соединений кремния, из которых в основном состояла Земля на стадии формирования. Понимание того, как гелий мог вырваться и «сбежать», поможет нам понять, как в ядре Земли могло всё же остаться значительное количество изотопа гелия 3He.

Под давлением и под микроскопом

В гигантской лаборатории во Франции материалы, находящиеся под огромным давлением, просвечивают рентгеновскими лучами, чтобы изучить их трансформации.

Одна из самых больших лабораторий в мире, которая может генерировать рентгеновское излучение высокой интенсивности, позволяющее ученым исследовать структуру целых классов различных материалов, — это Европейский источник синхротронного излучения (ESRF) во французском Гренобле. Чтобы получить это излучение, электроны в ESRF ускоряются в 270-метровом накопительном кольце, где они, как любые элементарные частицы, летящие по кругу, испускают рентгеновское излучение, которое затем распределяется по 40 каналам, где находятся экспериментальные станции. Там проводится множество экспериментов в интересах физиков, медиков и археологов. Благодаря мощи ESRF, разрешение, которое здесь достигается, может в 10 тыс. раз превосходить то, чем довольствуются обычные университетские лаборатории.

В мае 2012 года в ESRF была открыта новая специализированная экспериментальная станция для изучения в реальном времени поведения вещества при экстремальных давлениях и температурах. Постройка станции, получившей название ID24, обошлась в 180 млн евро. Она позволяет ученым просвечивать рентгеновскими лучами образцы, которые подвергаются действию высокого давления в ячейках с алмазными наковальнями. Исследуемые материалы могут быть также нагреты до 10 000 °C с помощью коротких лазерных импульсов высокой интенсивности.

1322326

При таких высоких значениях давления и температуры могут быть исследованы аналоги веществ, находящихся в жидком железном ядре Земли в 2,9 тыс. км под поверхностью, или тех, что содержатся внутри планет-гигантов вроде Юпитера.

Источник: «Эхо Москвы»
Опубликовано автоматически, мнение администратора сайта может не совпадать с мнением автора.

0.00 avg. rating (0% score) - 0 votes
comments powered by HyperComments

Рубрика: "Эхо Москвы"