Prvky pod tlakom prekvapenia vedci

Simulácia odhaľuje nové štruktúry a vlastnosti

Plameň vodíka DOE
čítať nahlas

Pri výskume správania sa prvkov pod vysokým tlakom objavili švajčiarski vedci niečo prekvapujúce: zistili, že štruktúry vodíka a kyslíka zostávajú dlhšie molekulárne, ako sa očakávalo. Odhaľujú tiež dlho hľadané štruktúry červeného a čierneho kyslíka a opisujú niekoľko nových foriem uhlíka, o ktorých sa predpokladá, že majú jedinečné fyzikálne vlastnosti.

Správanie sa prvkov - a tým aj ich chemické vlastnosti - sa pod tlakom významne menia. Zvyčajne inertné - inertné prvky platina a xenón sa stávajú veľmi reaktívnymi, draslík sa stáva prechodným kovom, zatiaľ čo vodík, kyslík a síra sa stávajú supravodičmi. Vysoký tlak je preto cestou k novým materiálom s exotickými štruktúrami a vlastnosťami, ktoré sa môžu použiť na prehĺbenie porozumenia chemickej väzby medzi atómami. Experimenty pri vysokom tlaku sú však veľmi náročné a často neumožňujú určiť požadovanú štruktúru.

Namiesto toho Artem R. Oganov a Colin W. Glass z ETH v Zürichu v kryštalografickom laboratóriu použili na štúdium prvkov pod vysokým tlakom simulačnú metódu, ktorú vyvinuli s názvom USPEX. Výsledky týchto štúdií uverejňujú vedci ETH v "Journal of Chemical Physics". Použitá simulačná metóda môže predpovedať iba štruktúru materiálu za daných tlakových a teplotných podmienok na základe chemického zloženia a zákonov kvantovej mechaniky.

Vodík vykazuje komplexné správanie

Vodík je najhojnejším prvkom vesmíru. Umiestnenie v periodickej tabuľke je však nejasné - dá sa nastaviť ako pre alkalické kovy, tak pre halogény. Metalizáciou vodíka pod vysokým tlakom sa vysvetľuje magnetické pole planét Jupiter a Saturn. Predpokladá sa, že supravodič je kovový vodík až do teploty záznamu (možno 300 ° C). Štruktúra vodíka pod vysokým tlakom však nie je známa.

Tiež sa predpokladá, že pri 3, 5 megabaroch dochádza k transformácii na molekulárny kov a pri približne piatich megabaroch na nemolekulový kov. Teraz Oganov a Glass predpovedajú, že molekulárny stav sa zachová najmenej do šiestich megabarov. Na porovnanie, oveľa viac chemicky viazaná molekula dusíka sa rozpadá pri oveľa nižšom tlaku okolo 0, 5 megabaru. Týmto sa vodík dostáva bližšie k halogénom ako k alkalickým kovom. zobraziť

Červený a čierny kyslík vykazuje štruktúru

Fyzikálny stav kyslíka sa pod tlakom dramaticky mení - zo svetlo modrého kovového materiálu najskôr na tmavo červenú a potom na nekovový kov pri ešte vyššom tlaku na čierny supravodič. Vedci ETH pomocou novej metódy USPEX identifikovali jedinečné štruktúry červeného a čierneho kyslíka. Kyslík si zachováva svoje molekuly O2, ale vytvárajú sa slabé intermolekulové väzby, ktoré vedú k exotickým molekulárnym reťazcom a iným molekulárnym prepojeniam (napr. Párom).

Technologicky zaujímavé materiály

Uhlík je známy všestrannosťou svojich chemických zlúčenín. Pozoruhodný je rozsah vlastností rôznych štruktúr uhlíka, napríklad vo forme grafitu, diamantu alebo fullerénu. Teraz sa týmto dvom vedcom podarilo predpovedať niekoľko nových štruktúr uhlíka. Zvlášť zaujímavé sú dva, ktoré sú do určitej miery hybridom medzi grafitovou a diamantovou štruktúrou a ktorých fyzikálne vlastnosti sú pravdepodobne jedinečné. Rovnako ako fullerény, aj tieto štruktúry vyžadujú špeciálne syntetické metódy, ale mohli by byť veľmi užitočné pre technické aplikácie.

(Švajčiarsky federálny technologický inštitút Zürich, 23.06.2006 - NPO)