Ученые предсказывают невиданные ранее кристаллические структуры с неожиданным химическим составом
Сверхвысокое давление может иметь странные эффекты в физике и химии, и в новом исследовании моделирование высокого давления привело к предсказанию четырех новых соединений: соединений, которые не образуются обычным образом, имеют кристаллическую структуру, которую мы никогда раньше не встречались и могут даже действовать как сверхпроводники при определенных температурах.
Эти соединения: Li14Cs, Li8Cs, Li7Cs и Li6Cs, и все они образуются из лития (Li) и цезия (Cs), хотя и не обычным способом. Все четыре являются сверхпроводниками, что означает, что электричество может течь через них без сопротивления или потери энергии.
Ученые, стоящие за исследованием, использовали специальный алгоритм предсказания кристаллической структуры под названием USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), чтобы найти эти новые соединения. Он известен как эволюционный алгоритм, использующий ряд методов для определения вероятности того, как атомы будут соединяться друг с другом.
В данном случае USPEX использовался для анализа того, как высокое давление может повлиять на электроотрицательность, то есть насколько сильно атомы в химическом элементе притягивают и удерживают электроны.
Оказывается, это имеет большое значение.
«При нормальных условиях, во всяком случае, мы ожидаем, что литий будет притягивать электроны цезия, который является самым электроположительным элементом в периодической таблице, как известно большинству людей: предполагается, что он отдает электроны, и точка», — говорит материаловед Артем Оганов из Сколковского института науки и технологий в России.
«Однако под давлением все наоборот. Цезий захватывает электроны лития, и это крайне необычное химическое поведение приводит к образованию четырех новых соединений».
Два из этих соединений, Li14Cs и Li6Cs имеют невиданную ранее кристаллическую структуру. Это редко встречается в соединениях, состоящих только из двух элементов, что делает это открытие еще более неожиданным и примечательным.
Что касается сверхпроводимости, эти соединения станут сверхпроводниками при температурах от минус 223 °C до минус 213 °C. C (от минус 369,4 °F до минус 351,4 °F), предсказывают исследователи.
Это может сделать их полезными для сверхбыстрых микрочипов и сверхэффективных материалов для энергосистем, если мы сможем выяснить, как практически строить сверхпроводники из этих недавно открытых соединений.
«Конечно, с технологической точки зрения эти критические температуры не годятся по сравнению с тем, что мы видели в полигидридах — богатых водородом соединениях некоторых металлов». — говорит Оганов.
«Однако это исследование углубляет наше понимание химии лития, и литий как таковой может быть интересен для сверхпроводимости, возможно, в форме гипотетического литидного соединения — пока мы не знаем, действительно ли это существует или как это пишется.»
Подобные интерметаллические соединения полезны в различных ситуациях, особенно там, где требуется высокая прочность и устойчивость к высоким температурам. Они также могут обладать особыми свойствами, отсутствующими у элементов, из которых они состоят.
Хотя эти новые соединения только предсказаны на данный момент, они открывают перед учеными новые области для изучения в будущем — и Предсказание их заранее означает, что мы можем быстрее идентифицировать материалы, которые будут наиболее полезными.
«Когда известна кристаллическая структура химического вещества, многие свойства можно предсказать надежно и в обычном порядке», — Оганов. и его коллеги писали в более ранней статье, опубликованной в Accounts of Chemical Research.
«Поэтому, если бы исследователи могли предсказывать кристаллическую структуру материала до его синтеза, они могли бы значительно ускорить открытие новых материалов».
Исследование опубликовано в Nano Letters.
