Les scientifiques de NUST «MISiS» ainsi que leurs collègues russes et étrangers ont prouvé la possibilité de créer des matériaux irréalistes du point de vue de la compréhension habituelle des lois de la chimie. Après avoir exposé l'oxyde de béryllium à une pression des centaines de milliers de fois supérieure à la pression atmosphérique, les chercheurs ont réalisé une «périorientation» de la structure cristalline du matériau à cinq ou six atomes d'oxygène entourés de béryllium, même si l'on pensait auparavant que le nombre maximal possible ne pouvait être que de quatre. Les résultats de l'expérience et sa justification théorique, les scientifiques ont
présenté dans la revue Nature Communications.
Imaginez que vous avez une montagne de cubes devant vous et que vous allez en construire quelque chose, les auteurs de l'étude décrivent leur travail. -
Vous pouvez assembler un grand nombre de modèles différents, mais leur nombre est toujours limité en raison de la forme des «matériaux de construction», car ils ne peuvent être connectés les uns aux autres que d'une certaine manière. Imaginez maintenant que vous avez la possibilité de changer la forme de ces cubes - étirez-les, ajoutez des faces, en un mot, modifiez-les de sorte que le nombre de combinaisons possibles des "matériaux de construction" résultants augmente d'un nombre infini de fois.
Chef du laboratoire I. Abrikosov (à gauche) avec des employés. Les cubes en question ne sont rien de plus que des éléments de la structure cristalline des matériaux, en modifiant lesquels, vous pouvez «attribuer» aux matériaux des propriétés fondamentalement nouvelles. Mais certaines transformations sont impossibles dans le cadre de notions familières.
Des scientifiques de NUST MISiS ainsi que des collègues de l'Université de Bayreuth et du Centre de recherche DESY (Allemagne), de l'Université de Linköping (Suède), ainsi que de l'Académie russe des sciences (Institut des sciences de la Terre et Centre scientifique de Kola) résolvent ce problème en surmontant l '«impossibilité». )
Comme le montrent les résultats de leurs recherches conjointes - une expérience de laboratoire et sa modélisation théorique - l'obtention de modifications "impossibles" des matériaux est tout à fait possible - et pour cela il faut les exposer à des pressions ultra-élevées, des centaines de milliers de fois supérieures à la pression atmosphérique.
L'oxyde de béryllium coordonné tétraédrique«Nous avons travaillé avec l'herlbutite, une forme de composé de béryllium de formule chimique CaBe2P2O8. Dans des conditions classiques, il a une structure tétraédrique - le béryllium forme des pyramides tétraédriques avec des atomes d'oxygène, et jusqu'à récemment, on pensait que c'était la coordination maximale possible du béryllium. Cependant, nos collègues allemands ont mené une expérience, à la suite de laquelle il s'est avéré que la structure cristalline pouvait être réorganisée. Au cours de l'expérience, le matériau a été placé dans une enclume en diamant, où il a été exposé à des pressions ultra élevées.
Oxyde de béryllium coordonné à cinq côtés
Ainsi, à une pression de 17 GPa (170 000 atmosphères terrestres), le nombre d'atomes d'oxygène du béryllium environnant est passé à cinq, et à une pression de 80 GPa (800 000 atmosphères terrestres), le cristal a été reconstruit de sorte que ce nombre est passé à six. C'est un résultat incroyable, jamais présenté à personne. C'est pourquoi il avait besoin d'une justification théorique, dont nous avons développé le développement de manière indépendante sur notre supercalculateur », explique le
professeur Igor Abrikosov , directeur scientifique du Laboratoire de modélisation et de développement de nouveaux matériaux, NUST MISiS.
Oxyde de béryllium coordonné hexagonalLa modélisation théorique des résultats de l'expérience a été réalisée par les scientifiques de NUST «MISiS» en un temps record - en seulement un mois. Pour résoudre l'équation de Dirac avec les variables données, toute la puissance de calcul du cluster de supercalculateurs du Laboratoire «Modélisation et Développement de Nouveaux Matériaux» a été utilisée. Sans l'utilisation d'un tel supercalculateur, il n'aurait jamais été possible d'effectuer des calculs d'une telle complexité - les ordinateurs conventionnels n'auraient tout simplement pas assez de puissance. Les résultats des calculs ont presque entièrement coïncidé avec les résultats expérimentaux - les différences sont minimes et se situent dans la marge d'erreur admissible.
Supercalculateur NUST "MISiS"Comme le fait remarquer le professeur Abrikosov, le béryllium a été choisi à bien des égards comme matériau expérimental car il est particulièrement populaire dans le génie mécanique et l'industrie spatiale. Néanmoins, le travail effectué est de nature plus fondamentale - en étudiant les modifications de matériaux spécifiques, vous pouvez construire un modèle théorique général qui vous permet de systématiser les processus et les conditions nécessaires pour créer les "matériaux impossibles". Dans les plans immédiats des scientifiques est de poursuivre la recherche, en particulier, avec une classe de matériaux tels que les polynitrures.
Aide:Professeur Igor Abrikosov - Docteur en philosophie, directeur scientifique du laboratoire «Modélisation et développement de nouveaux matériaux» NUST «MISiS», chef du département de physique théorique, Institut de physique, chimie et biologie de l'université de Linkoping, académicien de l'Académie royale suédoise des sciences.
Un groupe scientifique sous sa direction travaille sur une modélisation théorique des processus se déroulant dans les matériaux sous des conditions de pressions élevées et ultra élevées.
Auparavant, les scientifiques ont déjà prouvé la possibilité de l'existence de modifications «irréalistes» de la
silice et des
nitrures , ainsi que la transformation d'un isolant d'
hématite en conducteur - et tout cela à des pressions de centaines de milliers (et parfois des millions) au-dessus de la pression atmosphérique.