Международный коллектив физиков и материаловедов из НИТУ «МИСиС», Геоинститута Байройта (Германия), Университета Линчёпинга (Швеция), Калифорнийского технологического института (США) открыл «невозможные» модификации кремнезема коэзит-IV и коэзит-V — материалы, которых не может быть. Их строение является исключением из общепринятых правил формирования химических связей для неорганических материалов, сформулированных Линусом Полингом и получившим за это Нобелевскую премию по химии 1954 года. Результаты исследования опубликованы 15 ноября 2018 года в международном научном журнале Nature Communications.
Согласно правилам Полинга, фрагменты атомной решетки неорганических материалов соединяются «вершинами», так как соединение «гранями» — самый энергетически затратный способ формирования химических связей, поэтому в природе он 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 кремнезема высокого давления, коэзита-IV и коэзита-V: их кристаллические структуры резко отличаются от любых ранее рассмотренных моделей, — рассказывает руководитель теоретической научной группы, профессор, руководитель лаборатории моделирования и разработки новых материалов НИТУ „МИСиС“ Игорь Абрикосов. — Два открытых коэзита содержат октаэдры SiO6, которые, в отличие от правила 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 (НИТУ «МИСиС» (Россия), Университет Линчёпинга (Швеция)) специализируется на изучении свойств материалов, находящихся под сверхвысоким давлением. Поместить материал в такие экстремальные условия — один из наиболее перспективных путей создания качественно новых материалов, открывающий перед человечеством фантастические возможности. К примеру, в одной из недавних научных работ ученые создали материалы-нитриды, получить которые ранее считалось невозможным.
В процессе исследования модификации оксида кремния, информация о структуре и механических свойствах которого является ключем к пониманию процессов, протекающих в мантии нашей планеты и существующего при экстремально высоких температурах и давлениях глубоко в недрах Земли, ученые выяснили, что особая форма оксида кремния — 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 и в результате 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, на этот раз — обнаружили исключения из правил Полинга.
Были обнаружены две абсолютно неизвестные до сих пор модификации коэзита (коэзит-IV и коэзит-V) со структурами (рис. 1), исключительными и «нереальными» с классической кристалло-химической 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, согласно общепринятым правилам Полинга, не возможно.
