Wie wir Materialmodifikationen entdeckten, die etablierten chemischen Prinzipien widersprechen

Wissenschaftler von NUST „MISiS“ haben zusammen mit russischen und ausländischen Kollegen die Möglichkeit bewiesen, Materialien zu schaffen, die unter dem Gesichtspunkt des üblichen Verständnisses der Gesetze der Chemie unrealistisch sind. Nachdem die Forscher Berylliumoxid einem hunderttausendmal höheren Druck als der Atmosphäre ausgesetzt hatten, erreichten sie eine „Periorientierung“ der Kristallstruktur des Materials auf fünf oder sechs Sauerstoffatome, die von Beryllium umgeben waren, obwohl zuvor angenommen wurde, dass die maximal mögliche Anzahl nur vier betragen könnte. Die Ergebnisse des Experiments und seine theoretische Begründung stellten Wissenschaftler in der Zeitschrift Nature Communications vor.

Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Berg Würfel vor sich und bauen etwas daraus. Die Autoren der Studie beschreiben ihre Arbeit. - Sie können viele verschiedene Designs zusammenbauen, aber ihre Anzahl ist aufgrund der Form der „Baumaterialien“ begrenzt, da sie nur auf eine bestimmte Weise miteinander verbunden werden können. Stellen Sie sich nun vor, Sie haben die Möglichkeit, die Form dieser Würfel zu ändern - dehnen Sie sie, fügen Sie Flächen hinzu, ändern Sie sie so, dass die Anzahl der möglichen Kombinationen der resultierenden "Baumaterialien" unendlich oft zunimmt.


Laborleiter I. Abrikosov (links) mit Mitarbeitern.

Die fraglichen Würfel sind nichts anderes als Elemente der kristallinen Struktur von Materialien, indem Sie modifizieren, welche Materialien Sie mit grundlegend neuen Eigenschaften „belohnen“ können. Bestimmte Transformationen sind jedoch im Rahmen bekannter Begriffe nicht möglich.

Wissenschaftler von NUST MISiS lösen gemeinsam mit Kollegen der Universität Bayreuth und des DESY-Forschungszentrums (Deutschland), der Universität Linköping (Schweden) sowie der Russischen Akademie der Wissenschaften (Institut für Geowissenschaften und Kola Science Center) dieses Problem und überwinden die „Unmöglichkeit“. )

Wie die Ergebnisse ihrer gemeinsamen Forschung - eines Laborexperiments und seiner theoretischen Modellierung - zeigen, ist es durchaus möglich, "unmögliche" Modifikationen von Materialien zu erhalten - und dafür ist es notwendig, sie ultrahohen Drücken auszusetzen, die hunderttausende Male höher sind als die atmosphärischen.


Das tetraedrisch koordinierte Berylliumoxid

„Wir haben mit Herlbutit gearbeitet - einer der Formen der Kombination von Beryllium mit der chemischen Formel CaBe2P2O8. Unter klassischen Bedingungen hat es eine tetraedrische Struktur - Beryllium bildet mit Sauerstoffatomen tetraedrische Pyramiden, und bis vor kurzem wurde angenommen, dass dies die maximal mögliche Koordination von Beryllium ist. Unsere Kollegen aus Deutschland führten jedoch ein Experiment durch, bei dem sich herausstellte, dass die Kristallstruktur neu angeordnet werden kann. Während des Experiments wurde das Material in einen Diamantamboss gegeben, wo es ultrahohen Drücken ausgesetzt wurde.


Fünfseitig koordiniertes Berylliumoxid

Bei einem Druck von 17 GPa (170.000 terrestrische Atmosphären) stieg die Anzahl der Sauerstoffatome des umgebenden Berylliums auf fünf, und bei einem Druck von 80 GPa (800.000 terrestrische Atmosphären) wurde der Kristall wieder aufgebaut, so dass diese Anzahl auf sechs anstieg. Dies ist ein unglaubliches Ergebnis, das noch nie jemandem präsentiert wurde. Deshalb brauchte er eine theoretische Begründung, deren Entwicklung wir unabhängig auf unserem Supercomputer aufgegriffen haben “, sagt Professor Igor Abrikosov , wissenschaftlicher Direktor des Labors für Modellierung und Entwicklung neuer Materialien, NUST MISiS.


Hex-koordiniertes Berylliumoxid

Die theoretische Modellierung der Versuchsergebnisse wurde von Wissenschaftlern von NUST „MISiS“ in Rekordzeit durchgeführt - in nur einem Monat. Um die Dirac-Gleichung mit den angegebenen Variablen zu lösen, wurde die gesamte Rechenleistung des Supercomputer-Clusters des Labors „Modellierung und Entwicklung neuer Materialien“ verwendet. Ohne den Einsatz eines solchen Supercomputers wäre es niemals möglich gewesen, Berechnungen dieser Komplexität durchzuführen - herkömmliche Computer hätten einfach nicht genug Leistung. Die Berechnungsergebnisse stimmten fast vollständig mit den experimentellen Ergebnissen überein - die Unterschiede sind minimal und liegen innerhalb der zulässigen Fehlergrenze.


Supercomputer NUST "MISiS"

Wie Professor Abrikosov feststellt, wurde Beryllium in vielerlei Hinsicht als experimentelles Material ausgewählt, da es im Maschinenbau und in der Raumfahrtindustrie besonders beliebt ist. Die geleistete Arbeit ist jedoch grundlegender Natur: Indem Sie die Modifikationen bestimmter Materialien untersuchen, können Sie ein allgemeines theoretisches Modell erstellen, mit dem Sie die Prozesse und Bedingungen systematisieren können, die zur Schaffung der "unmöglichen Materialien" erforderlich sind. In den unmittelbaren Plänen der Wissenschaftler ist es, die Forschung insbesondere mit einer solchen Klasse von Materialien wie Polynitriden fortzusetzen.

Hilfe:
Professor Igor Abrikosov - Doktor der Philosophie, wissenschaftlicher Direktor des Labors „Modellierung und Entwicklung neuer Materialien“ NUST „MISiS“, Leiter der Abteilung für Theoretische Physik des Instituts für Physik, Chemie und Biologie der Universität Linkoping, Akademiker der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften.

Eine wissenschaftliche Gruppe unter seiner Leitung arbeitet an einer theoretischen Modellierung von Prozessen, die in Materialien unter Bedingungen hohen und ultrahohen Drucks ablaufen.

Zuvor haben Wissenschaftler bereits die Möglichkeit „unrealistischer“ Modifikationen von Kieselsäure und Nitriden sowie die Umwandlung eines Hämatit- Isolators in einen Leiter nachgewiesen - und das alles bei Drücken von Hunderttausenden (und manchmal Millionen) über der Atmosphäre.