Химия экстремальных давлений

Недавно в сети была опубликована статья о том, что свинец превратили в сверхпрочный материал под экстремальным давлением:

"Новые свойства свинец проявил во время экспериментов, результаты которых опубликованы в издании Physical Review Letters. Чтобы изучить, как меняется прочность свинца под давлением, исследователи быстро сжали образец с помощью лазеров, которыми располагает Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса, расположенная в Калифорнии. Давление внутри образца достигло примерно 400 гигапаскалей — такое же давление испытывает магма в ядре Земли.

Прочность материала характеризует его реакцию на напряжение — силу, приложенную к заданной области. Чем большее напряжение может выдержать вещество, прежде чем оно деформируется, тем оно прочнее. Физик Эндрю Крайгер из университета Лоуренса Ливермора и его коллеги наблюдали, как колебания в свинце растут и меняются в условиях высокого давления. Рост был относительно медленным, а значит металл был в 250 раз прочнее свинца, находящегося в нормальных условиях, и примерно в 10 раз тверже высокопрочной стали.

Исследование показывает, что давление меняет структуру свинца, вызывая перестройку его кристаллической атомной решетки. Ученые пришли к выводу, что именно это структурное изменение приводит к преобразованию свинца в более прочный металл.

Когда материалы сжаты, их свойства могут существенно измениться. Например, водород, представленный на Земле в виде газа, под давлением может превратиться в металл. Понимание того, как свойства вещества изменяются под давлением, может помочь создавать защитное снаряжение нового уровня, например, пуленепробиваемые жилеты. Кстати, башни танков Т-34 изготавливались методом литья под давлением, что делало их гораздо прочнее, чем башни других танков, участвовавших в Великой Отечественной войне".

Казалось бы, в химии простых веществ всё давно открыто. Но ряд исследований, совершенных в последнее время, привёл к пересмотру основных правил. Это в особенности относится к химии высоких давлений, сильных магнитных полей и к химии нанообъектов.

Учёный-кристаллограф с мировым именем Артём Оганов, профессор Сколковского института науки и технологий, занимается проблемами компьютерного дизайна новых материалов и предсказания кристаллических структур. В Интернете можно найти видеозаписи его интервью и лекций, названия которых - "Запрещённая" химия, или как школьные двоечники оказались правы", "Насколько вероятны неуглеродные формы жизни?", "Новые материалы для энергетики будущего" - говорят сами за себя. В них профессор утверждает: под давлением химические связи знакомых веществ и материалов сильно меняются и нередко происходят экзотические фазовые превращения.

Например, кальций, а также щелочные металлы натрий и литий под давлением ведут себя очень странно, совершенно неожиданно. Наблюдаемые в экспериментах, проводимых при высоких давлениях, явления совершенно противоречат химической и физической интуиции, опровергают все предположения ученых.

Натрий (в обычных условиях – мягкий металл серебристо-белого цвета) под давлением становится прозрачным и красным, как рубин. Кальций при высоком давлении проявляет аномальные сверхпроводящие свойства, он становится похож на стронций и превращается в несоразмерную структуру, периодичность в которой наблюдается не в трехмерном, а в четырех- и более мерном пространстве.

Команда Артема Оганова создала эволюционный алгоритм USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography — универсальный предсказатель структур на основе эволюционной кристаллографии). С его помощью ученые научились предугадывать кристаллические структуры трехмерных кристаллов, двумерных объектов, поверхностей, границ раздела фаз, полимеров, наночастиц — за последние годы практически совершили революцию, добившись того, что считалось невозможным.

USPEX уже сейчас помогает изучать земные недра — например проливает свет на загадочную природу слоя D", находящегося на границе ядра и мантии нашей планеты. Он имеет четкий сейсмический разрыв, отделяющий его от остальных слоев, а толщина этой структуры варьируется: в некоторых местах D" вообще нет (что соответствует наиболее горячим областям планеты, например Исландии и Гавайям), но в других он достигает 300 км. Кроме того, D" характеризуется непонятной сейсмической анизотропией, то есть звуковые волны в нем распространяются по-разному, в разных направлениях.

Объяснение таким странностям было найдено, когда ученые из лаборатории Артема Оганова одновременно с японскими экспериментаторами открыли пост-перовскит. Это стало огромным сюрпризом, но затем многие исследователи по всему миру подтвердили существование данной фазы силиката магния. Оказалось, что условия перехода между фазами соответствуют условиям сейсмического разрыва, ограничивающего D" от основной мантии.

Более того, переход сильно зависит от температуры: чем горячее вещество, тем менее оно устойчиво — здесь можно найти причину его неравномерного распределения. Также свойства пост-перовскитовой фазы совершенно неожиданно объяснили вариацию длительности суток: с периодом в 10 лет продолжительность суток слегка меняется, и ученые связали это с высокой электропроводностью пост-перовскита.

Профессор Оганов не исключает возможности существования иных форм жизни:

"Мы обнаружили, что в системе азот — водород под давлением в 300–400 тысяч атмосфер, как в глубинах Урана и Нептуна, может возникнуть химия гораздо более сложная и разнообразная, чем химия углеводородов, на которой основана жизнь на поверхности Земли.

Жидкая среда этих планет состоит на 56% из воды, на 33% из метана, а оставшиеся 10–11% — это аммиак. В таких условиях азот начинает образовывать сложнейшие полимерные цепочки, не только одномерные, но и двумерные.

Кроме того, в отличие от нейтральных в устойчивом состоянии углеводородов, устойчивые азотоводороды могут нести заряд — это придаёт им дополнительную степень свободы и сложность по сравнению с углеводородами.

Кто знает, может быть, в глубинах этих планет существует другая форма жизни, построенная не на органической химии, а на неизвестной пока ещё, но явно не менее богатой азотистой. Может быть, там живут азотные люди. Они ходят на рыбалку и ловят азотных лещей на азотные удочки, строят дома из азотистых деревьев..."

Учёный считает, что перед современной наукой разворачивается необъятное поле новой химии:

"Новые материалы — это всегда новые технологии или улучшение имеющихся. Например, быстродействие компьютеров сегодня упирается в поиск новых материалов. Расход энергии микропроцессоров резко усиливается с ростом производительности, и дальнейший рост приведёт к чудовищному перегреванию компьютеров — если не будут найдены новые материалы. С помощью компьютерного моделирования будут разрабатываться и новые лекарства. Одно из них найдено в нашей лаборатории — препарат от рассеянного склероза. Конечно, нас ждут более прочные и лёгкие конструкционные материалы для самолётов и автомобилей".

"У меня есть профессиональная мечта, чтобы создаваемые мной методы для предсказания новых материалов, которые сейчас по всему миру используются уже тысячами ученых и несколькими компаниями, нашли максимальное практическое воплощение и использовались всеми компаниями, которые так или иначе связаны с созданием новых материалов и новых технологий. Чтобы эти методы глубоко преобразили технический прогресс. Компьютерный дизайн новых материалов, конечно, гораздо более выигрышный, чем метод проб и ошибок, который до сих пор доминировал в создании новых материалов.

И еще у меня есть мечта, чтобы российская наука смогла восстановиться и чтобы Россия стала магнитом для талантов со всего мира, как это уже было в нашей истории".