Кремниевый парадокс: ученые открыли материал, существование которого невозможно

Российский коллектив физиков и материаловедов из НИТУ «МИСиС» совместно с немецкими и шведскими учеными открыл «невозможные» модификации кремнезема — коэзит-IV и коэзит-V. Их строение является исключением из общепринятых правил формирования химических связей для неорганических материалов, сформулированных Линусом Полингом, получившим за это Нобелевскую премию по химии 1954 года.

Согласно этим правилам, фрагменты атомной решетки неорганических материалов соединяются вершинами, так как соединение гранями — самый энергетически затратный способ формирования химических связей и в природе его не существует. Однако ученые показали экспериментально и доказали с использованием расчетов на суперкомпьютере НИТУ «МИСиС», что такое соединение возможно, если поместить материалы в условия сверхвысоких давлений. Полученные результаты открывают совершенно новый путь в развитии современного материаловедения, а также принципиально новый класс материалов, существующий в экстремальных условиях.

«В работе были синтезированы и описаны метастабильные фазы коэзита-IV и коэзита-V, кремнезема высокого давления. Их кристаллические структуры резко отличаются от любых ранее рассмотренных моделей», — рассказывает Игорь Абрикосов, руководитель теоретической научной группы, профессор, руководитель лаборатории моделирования и разработки новых материалов НИТУ «МИСиС». 

«Два открытых коэзита содержат октаэдры SiO6, которые, вопреки правилам Полинга, связаны через общие грани, что является максимально энергетически затратным для химической связи. Наши результаты показывают, что возможные силикатные магмы в нижней мантии Земли могут иметь сложные структуры, делающие их более сжимаемыми, чем предполагалось ранее».

Научная группа, возглавляемая профессором Игорем Абрикосовым, специализируется на изучении свойств материалов, находящихся под сверхвысоким давлением. Поместить вещество в такие экстремальные условия — один из наиболее перспективных путей создания качественно новых материалов, открывающий перед человечеством фантастические возможности.

Информация о структуре и механических свойствах оксида кремния, существующего при экстремально высоких температурах и давлениях глубоко в недрах Земли, является ключом к пониманию процессов, протекающих в мантии нашей планеты. В процессе исследования модификаций этого материала ученые выяснили, что его особая форма, полиэфир-коэзит, подвергается ряду фазовых превращений при давлении до 30 гПа и образует новые фазы («коэзит-II» и «коэзит III»), которые в своей кристаллической решетке сохраняют тетраэдры SiO4 как основной структурный элемент.

В новых экспериментах ученые пошли дальше и дополнительно сжали оксид кремния в алмазной наковальне при сверхдавлении свыше 30 гПа. Они увидели структурные изменения в этой фазе с использованием монокристаллической рентгеновской дифракции. Результаты получились неожиданные — именно эти полученные структурные изменения и внесли коррективы в общепринятые научные каноны.

Были обнаружены две абсолютно неизвестные до сих пор модификации коэзита (коэзит-IV и коэзит-V) со структурами, исключительными и «нереальными» с классической кристаллохимической точки зрения. Они имеют пентакоординированный кремний, граничащие друг с другом октаэдры SiO6 и одновременно состоят из четырех-, пяти- и шестикоординированного кремния. При этом некоторые фрагменты атомной решетки соединяются гранями, а не вершинами, что невозможно, согласно общепринятым правилам Полинга.

Поступить в МТИ