Bagaimana kami menemukan modifikasi material yang bertentangan dengan prinsip kimia yang berlaku

Para ilmuwan dari NUST "MISiS" bersama dengan rekan-rekan Rusia dan asing telah membuktikan kemungkinan menciptakan bahan yang tidak realistis dari sudut pandang pemahaman biasa tentang hukum kimia. Setelah memaparkan berilium oksida ke tekanan ratusan ribu kali lebih tinggi daripada atmosfer, para peneliti mencapai "periorientasi" dari struktur kristal bahan tersebut menjadi lima atau enam atom oksigen yang dikelilingi oleh berilium, meskipun sebelumnya diyakini bahwa jumlah maksimum yang mungkin hanya empat. Hasil percobaan dan pembenaran teoretisnya, para ilmuwan dipresentasikan dalam jurnal Nature Communications.

Bayangkan bahwa Anda memiliki segunung kubus di depan Anda, dan Anda akan membangun sesuatu dari mereka, para penulis penelitian menggambarkan pekerjaan mereka. - Anda dapat merakit berbagai desain dengan cukup banyak, tetapi jumlahnya masih terbatas karena bentuk "bahan bangunan", karena mereka hanya dapat dihubungkan satu sama lain dengan cara tertentu. Sekarang bayangkan Anda memiliki kesempatan untuk mengubah bentuk kubus ini - meregangkannya, menambahkan wajah, dengan kata lain, memodifikasinya sehingga jumlah kombinasi yang mungkin dari "bahan bangunan" yang dihasilkan meningkat dengan jumlah kali yang tak terbatas.


Kepala laboratorium I. Abrikosov (kiri) dengan karyawan.

Kubus yang dimaksud tidak lebih dari unsur-unsur struktur material kristal, dengan memodifikasi mana, Anda dapat "memberi penghargaan" bahan dengan sifat-sifat baru yang fundamental. Tetapi transformasi tertentu tidak mungkin dilakukan dalam kerangka pemikiran yang lazim.

Para ilmuwan dari NUST MISiS bersama dengan rekan-rekan dari University of Bayreuth dan DESY Research Center (Jerman), Linköping University (Swedia), serta Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia (Institut Ilmu Bumi dan Pusat Sains Kola) menyelesaikan masalah ini - mengatasi “ketidakmungkinan”. )

Seperti yang ditunjukkan oleh hasil penelitian bersama mereka - percobaan laboratorium dan pemodelan teoretisnya - mendapatkan modifikasi materi yang "tidak mungkin" sangat mungkin - dan untuk ini perlu untuk mengekspos mereka pada tekanan sangat tinggi, ratusan ribu kali lebih tinggi daripada atmosfer.


Tetrahedral terkoordinasi berilium oksida

“Kami bekerja dengan herlbutite, suatu bentuk senyawa berilium dengan rumus kimia CaBe2P2O8. Dalam kondisi klasik, ia memiliki struktur tetrahedral - berilium membentuk piramida tetrahedral dengan atom oksigen, dan hingga saat ini diyakini bahwa ini adalah koordinasi maksimum yang mungkin dari berilium. Namun, kolega kami dari Jerman melakukan percobaan, yang ternyata struktur kristalnya dapat diatur ulang. Selama percobaan, bahan ditempatkan di landasan berlian, di mana ia terkena tekanan sangat tinggi.


Berilium oksida terkoordinasi lima sisi

Jadi, pada tekanan 17 GPa (170 ribu atmosfer terestrial), jumlah atom oksigen dari berilium di sekitarnya meningkat menjadi lima, dan pada tekanan 80 GPa (800 ribu atmosfer terestrial), kristal itu dibangun kembali sehingga jumlah ini meningkat menjadi enam. Ini adalah hasil yang luar biasa, belum pernah dipresentasikan kepada siapa pun. Itulah sebabnya ia membutuhkan pembenaran teoretis, pengembangan yang kami lakukan secara independen pada superkomputer kami , ”kata Profesor Igor Abrikosov , direktur ilmiah Laboratorium Pemodelan dan Pengembangan Bahan Baru NUST MISiS.


Hex Beryllium Oxide terkoordinasi

Pemodelan teoritis dari hasil percobaan dilakukan oleh para ilmuwan dari NUST "MISiS" dalam waktu singkat - hanya dalam satu bulan. Untuk menyelesaikan persamaan Dirac dengan variabel yang diberikan, semua kekuatan komputasi cluster superkomputer dari Laboratorium "Pemodelan dan Pengembangan Bahan Baru" digunakan. Tanpa menggunakan superkomputer seperti itu, tidak akan mungkin melakukan perhitungan dengan kompleksitas seperti itu - komputer konvensional tidak akan memiliki daya yang cukup. Hasil perhitungan hampir sepenuhnya bertepatan dengan hasil eksperimen - perbedaannya minimal, dan berada dalam margin kesalahan yang diizinkan.


Supercomputer NUST "MISiS"

Seperti dicatat oleh Profesor Abrikosov, dalam banyak hal berilium dipilih sebagai bahan percobaan karena sangat populer di bidang teknik mesin dan industri luar angkasa. Namun demikian, pekerjaan yang dilakukan lebih mendasar di alam - dengan mempelajari modifikasi bahan tertentu, Anda dapat membangun model teoritis umum yang memungkinkan Anda untuk mensistematisasikan proses dan kondisi yang diperlukan untuk membuat "bahan mustahil". Dalam rencana segera para ilmuwan adalah untuk melanjutkan penelitian, khususnya, dengan kelas bahan seperti polynitrides.

Bantuan:
Profesor Igor Abrikosov - Doktor Filsafat, Direktur Ilmiah dari Laboratorium “Pemodelan dan Pengembangan Bahan Baru” NUST “MISiS”, Kepala Departemen Fisika Teoritis, Institut Fisika, Kimia dan Biologi Universitas Linkoping, Akademisi dari Royal Swedish Academy of Sciences.

Sebuah kelompok ilmiah di bawah kepemimpinannya sedang mengerjakan pemodelan teoretis dari proses yang terjadi pada material dalam kondisi tekanan tinggi dan sangat tinggi.

Sebelumnya, para ilmuwan telah membuktikan kemungkinan adanya modifikasi silika dan nitrida "tidak realistis", serta transformasi isolator hematit menjadi konduktor - dan semua ini dengan tekanan ratusan ribu (dan kadang-kadang jutaan) di atas atmosfer.