Как мы открыли модификации материала, противоречащие устоявшимся химическим принципам

    Ученые НИТУ «МИСиС» совместно с российскими и зарубежными коллегами доказали возможность создания материалов, нереальных с точки зрения привычного понимания законов химии. Подвергнув оксид берилия воздействию давления, в сотни тысяч раз превышающего атмосферное, исследователи добились «периориентировки» кристаллической структуры материала до пяти- и шести атомов кислорода в окружении берилия, хотя ранее считалось, что максимально возможное число может быть только четыре. Результаты эксперимента и его теоретическое обоснование ученые представили в журнале Nature Communications.

    Представьте, что перед вами гора кубиков, и вы что-то собираетесь из них строить, – описывают авторы исследования свою работу. – Вы можете собрать достаточно много разнообразных конструкций, но все равно их количество ограничено из-за формы «стройматериалов», ведь соединяться друг с другом они могут только определенным образом. А теперь представьте, что у вас появилась возможность менять форму этих кубиков – растягивать их, добавлять грани, словом, видоизменять так, что количество возможных комбинаций из получившихся «стройматериалов» увеличивается в бесчисленное количество раз.

    image
    Руководитель лаборатории И. Абрикосов (слева) с сотрудниками.

    Кубики, о которых идет речь, – не что иное, как элементы кристаллической структуры материалов, модифицировав которые, можно «наградить» материалы принципиально новыми свойствами. Но определенные трансформации невозможны в рамках привычных представлений.

    Решением этой проблемы – преодолением «невозможности» – занимаются ученые из НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из Университета Байройта и Исследовательского центра DESY (Германия), Линчёпинского университета (Швеция), а также Российской академии наук (Институт наук о земле и Кольский научный центр).

    Как показали результаты их совместных исследований – лабораторного эксперимента и его теоретического моделирования – получение «невозможных» модификаций материалов вполне возможно – и для этого необходимо подвергнуть их сверхвысоким давлениям, в сотни тысяч раз превышающим атмосферное.

    image
    Четырехгранно координированный оксид бериллия

    «Мы работали с херлбутитом – одной из форм соединения бериллия с химической формулой CaBe2P2O8. В классических условиях он имеет тетраэдральную структуру – бериллий формирует четырехгранные пирамиды с атомами кислорода, и до недавних пор считалось, что это максимально возможная координация берилия. Однако наши коллеги из Германии провели эксперимент, в результате которого выяснилось, что кристаллическая структура может перестраиваться. В ходе эксперимента материал помещался в алмазную наковальню, где подвергался воздействию сверхвысоких давлений.

    image
    Пятигранно координированный оксид бериллия

    Так, при давлении в 17 ГПа (170 тысяч земных атмосфер) произошло увеличение числа атомов кислорода окружающих берилий до пяти, а при давлении в 80 ГПа (800 тысяч земных атмосфер) кристалл перестраивался так, что это число возросло до шести. Это невероятный результат, никем и никогда не представленный прежде. Именно поэтому ему требовалось и теоретическое обоснование, проработкой которого мы занялись независимо на нашем суперкомпьютере»
    , – рассказывает профессор Игорь Абрикосов, научный руководитель лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС».

    image
    Шестигранно координированный оксид бериллия

    Теоретическое моделирование результатов эксперимента было проведено учеными НИТУ «МИСиС» в рекордно короткие сроки – всего за один месяц. Для решения уравнения Дирака с заданными переменными была задействована вся вычислительная мощность суперкомпьютерного кластера лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов». Без использования такого суперкомпьютера провести расчеты подобной сложности не удалось бы никогда – у привычных вычислительных машин просто не хватило бы мощности. Результаты вычислений почти полностью совпали с результатами эксперимента – различия минимальны, и находятся в допустимых рамках погрешности.

    image
    Суперкомпьютер НИТУ «МИСиС»

    Как отмечает профессор Абрикосов, во многом бериллий был выбран в качестве экспериментального материала потому, что он пользуется особой популярностью в машиностроении и космической отрасли. Тем не менее, проделанная работа носит в большей степени фундаментальный характер – изучая модификации конкретных материалов, можно построить общую теоретическую модель, позволяющую систематизировать процессы и условия, необходимые для создания «невозможных материалов». В ближайших планах ученых – продолжить исследования, в частности, с таким классом материалов, как полинитриды.

    Справка:
    Профессор Игорь Абрикосов – д.ф-м.н., научный руководитель лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС», заведующий отделом теоретической физики Института физики, химии и биологии Линчёпингского университета, академик Шведской королевской академии наук.

    Научная группа под его руководством работает над теоретическим моделированием процессов, проходящих в материалах в условиях высоких и сверхвысоких давлений.

    Ранее ученые уже доказали возможность существования «нереальных» модификаций кремнезема и нитридов, а также превращения изолятора гематита в проводник – и все это при давлениях, в сотни тысяч (а иногда и в миллионы) превышающих атмосферное.
    НИТУ «МИСиС»
    215,48
    Образование и наука
    Поделиться публикацией

    Комментарии 23

      +8
      А сохраняет ли получившаяся штука свойства после того, как на неё перестают оказывать давление?
        0
        Эх, если бы....: ( тогда сверхпроводники при комнатной температуре были бы обыденностью…
          0
          Ну, с алмазом получается :)
          0

          Призываю автора.

          +6
          Суперкомпьютер подозрительно напоминает блейдовую полку HP C7000.
            0

            Наверняка, там на корпусе логотип HP закрыт аккуратной наклейкой какого-нибудь НПО Ангстрем

              +3
              )))) Не, логотип не закрыт. )) image
              0
              Не то, чтобы напоминает. Она и есть. А вот конфигурация ввода-вывода немного необычная. Было бы интересно посмотреть, какие мезонины в лезвиях стоят.
              0
              Стиль статьи напомнил ЗСНТ в старой Науке и Жизни :)
                0
                Это хорошо или так себе? :)
                0
                Ваш способ аргументации не радует. Я правильно понимаю, что вы предлагаете прочитать немаленький текст, а потом еще угадать, что же вы имели в виду? Было бы неплохо, если бы вы конкретизировали ваши претензии.
                  +3
                  Что происходит с твердым телом, оказавшимся под давлением? Начинается перестройка кристаллической решетки. Она может зайти как угодно далеко в зависимости от величины приложенного давления. Но в любом случае эта перестройка будет сопровождаться изменением свойств вещества.
                  10 сек. Немаленький текст
                    +3
                    Так, оказывается, все 25 т. з. читать было не обязательно, можно было обойтись 250. Уже хорошо. Продолжаем разговор. Не могли бы вы объяснить — почему вы убеждены, что приведенные вами четыре фразы из «Библиотеки юного исследователя» полностью дезавуируют научную работу, о которой идет речь в этом материале и разоблачают ее авторов как халтурщиков?
                –2
                Это персональная реклама гна Абрикосова? Потому что выглядит именно так.
                  0
                  Нет, это рассказ о работе, сделанной под его руководством.
                  +1

                  А они не перешли в тепловую энергию при таком давлении? Чудес не бывает

                    0
                    Интересно каким образом это изменение повлияло на сам материал. Проводили ли какие нибудь исследования в этой области?
                      +1
                      Если материал не сохраняет свойства после снятия давления, какой в нем смысл?
                        0
                        Смысл скорей не в материале, а в предпосылках к исследованиям, которые могут привести, например, к новому стабильному «невозможному» материалу или способу стабилизации таких материалов.
                        0

                        Круто, что у нас проводятся фундаментальные исследования, пусть и расчётно-подгоночные. Но заголовок отдаёт желтизной конечно. Попранием научных устоев тут пока не пахнет — просто экспериментально нашли новую фазу кристалла, которая известной физике не противоречит, раз с расчётами полное согласие.

                          0
                          Извините, но это звучит очень диванно. Подайте мне к ужину непременно противоречие!
                          На самом же деле представлено экспериментальное подтверждение модели. Раз она подтверждается — можно по этой модели предсказывать поведение и других материалов, не проводя сложных и дорогих экспериментов. Нормальная, нужная работа.
                          Но, в действительности — есть тут претензия к посту: не обозначено, зачем? Разрабатывалась (пусть не ими) модель, и требовалась её проверка? Вариант, когда модель давно известна и стандартна, действительно вызывает сомнения в необходимости эксперимента — и вот этот момент в тексте стоило осветить.

                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                        Самое читаемое