Los científicos de NUST "MISiS" junto con colegas rusos y extranjeros han demostrado la posibilidad de crear materiales poco realistas desde el punto de vista de la comprensión habitual de las leyes de la química. Tras haber expuesto el óxido de berilio a una presión cientos de miles de veces mayor que la atmosférica, los investigadores lograron una "periorientación" de la estructura cristalina del material a cinco o seis átomos de oxígeno rodeados de berilio, aunque anteriormente se creía que el número máximo posible podría ser solo cuatro. Los resultados del experimento y su justificación teórica, los científicos
presentaron en la revista Nature Communications.
Imagina que tienes una montaña de cubos frente a ti y vas a construir algo a partir de ellos, los autores del estudio describen su trabajo. -
Puede ensamblar bastantes diseños diferentes, pero su número es limitado debido a la forma de los "materiales de construcción", ya que solo se pueden conectar entre sí de cierta manera. Ahora imagine que tiene la oportunidad de cambiar la forma de estos cubos: estírelos, agregue caras, en una palabra, modifíquelos para que el número de combinaciones posibles de los "materiales de construcción" resultantes aumenten un número infinito de veces.
Jefe del laboratorio I. Abrikosov (izquierda) con empleados. Los cubos en cuestión no son más que elementos de la estructura cristalina de los materiales, modificando cuáles, puede "otorgar" materiales con propiedades fundamentalmente nuevas. Pero ciertas transformaciones son imposibles dentro del marco de nociones familiares.
Científicos de NUST MISiS junto con colegas de la Universidad de Bayreuth y el Centro de Investigación DESY (Alemania), la Universidad de Linköping (Suecia), así como la Academia de Ciencias de Rusia (Instituto de Ciencias de la Tierra y el Centro de Ciencias Kola) están resolviendo este problema, superando la "imposibilidad". )
Como lo demuestran los resultados de su investigación conjunta, un experimento de laboratorio y su modelado teórico, es posible obtener modificaciones "imposibles" de los materiales, y para esto es necesario exponerlos a presiones ultra altas, cientos de miles de veces más altas que la atmosférica.
El óxido de berilio coordinado tetraédrico“Trabajamos con herlbutita, una forma de compuesto de berilio con la fórmula química CaBe2P2O8. En condiciones clásicas, tiene una estructura tetraédrica: el berilio forma pirámides tetraédricas con átomos de oxígeno, y hasta hace poco se creía que esta es la máxima coordinación posible del berilio. Sin embargo, nuestros colegas de Alemania realizaron un experimento, como resultado de lo cual resultó que la estructura cristalina se puede reorganizar. Durante el experimento, el material se colocó en un yunque de diamante, donde estuvo expuesto a presiones ultra altas.
Óxido de berilio coordinado de cinco lados
Entonces, a una presión de 17 GPa (170 mil atmósferas terrestres), el número de átomos de oxígeno del berilio circundante aumentó a cinco, y a una presión de 80 GPa (800 mil atmósferas terrestres), el cristal se reconstruyó de modo que este número aumentó a seis. Este es un resultado increíble, nunca antes presentado a nadie. Es por eso que necesitaba una justificación teórica, cuyo desarrollo tomamos independientemente en nuestra supercomputadora ", dice el
profesor Igor Abrikosov , director científico del Laboratorio de Modelado y Desarrollo de Nuevos Materiales, NUST MISiS.
Óxido de berilio coordinado en hex.El modelado teórico de los resultados del experimento fue realizado por científicos de NUST "MISiS" en un tiempo récord, en solo un mes. Para resolver la ecuación de Dirac con las variables dadas, se utilizó toda la potencia informática del grupo de supercomputadoras del Laboratorio "Modelado y desarrollo de nuevos materiales". Sin el uso de una supercomputadora de este tipo, nunca habría sido posible realizar cálculos de tal complejidad: las computadoras convencionales simplemente no tendrían suficiente potencia. Los resultados del cálculo coincidieron casi por completo con los resultados experimentales: las diferencias son mínimas y están dentro del margen de error permitido.
Supercomputadora NUST "MISiS"Como señala el profesor Abrikosov, en muchas formas se eligió el berilio como material experimental porque es especialmente popular en la ingeniería mecánica y la industria espacial. Sin embargo, el trabajo realizado es de naturaleza más fundamental: al estudiar las modificaciones de materiales específicos, puede construir un modelo teórico general que le permita sistematizar los procesos y las condiciones necesarias para crear los "materiales imposibles". En los planes inmediatos de los científicos está continuar la investigación, en particular, con una clase de materiales como los polinitruros.
Ayuda:Profesor Igor Abrikosov - Doctor en Filosofía, Director Científico del Laboratorio "Modelado y Desarrollo de Nuevos Materiales" NUST "MISiS", Jefe del Departamento de Física Teórica, Instituto de Física, Química y Biología de la Universidad de Linkoping, Académico de la Real Academia de Ciencias de Suecia.
Un grupo científico bajo su liderazgo está trabajando en un modelado teórico de procesos que tienen lugar en materiales bajo condiciones de altas y ultra altas presiones.
Anteriormente, los científicos ya habían demostrado la posibilidad de la existencia de modificaciones "poco realistas" de
sílice y
nitruros , así como la transformación de un aislante de
hematita en un conductor, y todo esto a presiones de cientos de miles (y a veces millones) por encima de la atmósfera.