Локалізація електронів у кубічній структурі нової сполуки NaCl3
Експерименти із застосування високого тиску до звичайних речовин, зокрема кухонної солі, несподівано дали нові хімічні сполуки, які не повинні існувати відповідно до правил, наведених в сучасних підручниках хімії. Дослідження, проведене на джерелі рентгенівського випромінювання PETRA III німецького синхротрона DESY, може відкрити дорогу до більш універсального розуміння хімії та створення нових матеріалів і напрямків у науці.
Міжнародна дослідницька група під керівництвом професора Артема Оганова з Університету Стоуні Брук і професора Олександра Гончарова з Інституту Карнегі опублікувала у виданні Science статтю про своє відкриття у галузі хімії. Вчені працювали з кухонною сіллю (NaCl), яка є однією з найбільш вивчених хімічних сполук. Сіль має просту кристалічну структуру та хімічний склад: один атом натрію (Na) і один атом хлору (Cl).
Однак, експерименти показали, що простота солі спостерігається лише за звичайних умов навколишнього середовища, а в екстремальних умовах можуть з'являтися інші сполуки натрію і хлору, які «заборонені» класичними правилами хімії. Наприклад, згідно з правилом октету, всі хімічні елементи прагнуть заповнити власну зовнішню оболонку вісьмома електронами, так як валентна оболонка елемента повна і найбільш стійка, якщо містить 8 електронів. Зокрема ця стійкість пояснює низьку хімічну активність благородних газів. Натрій має один додатковий електрон, а хлору навпаки –одного не вистачає, тому натрій віддає один електрон хлору, внаслідок чого обидва атоми із зовнішньою оболонкою, яка містить вісім електронів, формують сильний іонний зв'язок. Простіше кажучи, у звичайних умовах кухонна сіль виконує правило октету і відповідає всім правилам класичної хімії.
Однак, коли вчені помістили кристали солі у зону високого тиску (200000 атмосфер), а потім додали додаткові хлор або натрій, з'явилися такі «неможливі» сполуки, як Na3Cl і NaCl3. Більше того, вдалося знайти і інші стійкі сполуки натрію і хлору, які вважалися неможливими, оскільки вимагають зовсім іншої форми хімічного зв'язку – з більш високою енергією, а природа завжди надає перевагу зв'язкам низькоенергетичним.
Тим не менш, вчені створили дані сполуки, причому вони термодинамічно стабільні, тобто за високого тиску зберігають свої властивості довгий час, а за звичайного – кілька хвилин. Це дає більш широкий погляд на хімію, ба більше – Артем Оганов упевнений, що це початок революції у хімії.
«Ми виявили, що при тисках, досяжних у лабораторії, утворюються нові стабільні сполуки, які суперечать класичним правилам хімії, – говорить Артем Оганов. – Якщо застосувати відносно невеликий тиск у 200 тис. атмосфер (тиск у центрі Землі становить 3,6 млн. атмосфер), багато чого з сучасних підручників хімії перестає працювати».
Однією з причин таких несподіваних відкриттів є той факт, що вся сучасна хімія тісно пов'язана з умовами навколишнього середовища. Але на поверхні Землі ці умови зовсім не такі, як у різних куточках Всесвіту. Навіть під землею, на великій глибині, умови зовсім інші і там, можливо, можуть працювати зовсім інші закони хімії. Правила хімії не такі суворі, як математичні теореми, і можуть бути порушені – достатньо знайти умови, нехай і фантастичні, такі, що здаються неможливими.
На практиці це означає, що можливе створення матеріалів з незвичайними властивостями, які здаються на перший погляд абсурдними. Наприклад, серед створених командою Артема Оганова сполук є двовимірні метали, які проводять електрику лише вздовж шарів матеріалу, але не впоперек. Один із матеріалів, Na3Cl, має дивовижну структуру. Він складається з шарів NaCl і шарів чистого натрію, при цьому шари NaCl виступають як ізолятори, а шари чистого натрію проводять струм. Системи з подібною двовимірною електропровідністю мають великий потенціал у мікроелектроніці.
Експерименти з кухонною сіллю – це лише початок довгого шляху, на якому буде створено безліч абсолютно нових сполук. «Якщо навіть проста хімічна сполука, сіль, здатна перетворитися на такі різноманітні речовини в умовах високого тиску, то й інші, ймовірно, також на це здатні, – пояснює Олександр Гончаров. – Це може допомогти відповісти на багато важливих запитань, наприклад, про початок розвитку планетарних ядер, а також допоможе створити нові, дуже корисні матеріали».
Однак, коли вчені помістили кристали солі у зону високого тиску (200000 атмосфер), а потім додали додаткові хлор або натрій, з'явилися такі «неможливі» сполуки, як Na3Cl і NaCl3. Більше того, вдалося знайти і інші стійкі сполуки натрію і хлору, які вважалися неможливими, оскільки вимагають зовсім іншої форми хімічного зв'язку – з більш високою енергією, а природа завжди надає перевагу зв'язкам низькоенергетичним.
Тим не менш, вчені створили дані сполуки, причому вони термодинамічно стабільні, тобто за високого тиску зберігають свої властивості довгий час, а за звичайного – кілька хвилин. Це дає більш широкий погляд на хімію, ба більше – Артем Оганов упевнений, що це початок революції у хімії.
«Ми виявили, що при тисках, досяжних у лабораторії, утворюються нові стабільні сполуки, які суперечать класичним правилам хімії, – говорить Артем Оганов. – Якщо застосувати відносно невеликий тиск у 200 тис. атмосфер (тиск у центрі Землі становить 3,6 млн. атмосфер), багато чого з сучасних підручників хімії перестає працювати».
Однією з причин таких несподіваних відкриттів є той факт, що вся сучасна хімія тісно пов'язана з умовами навколишнього середовища. Але на поверхні Землі ці умови зовсім не такі, як у різних куточках Всесвіту. Навіть під землею, на великій глибині, умови зовсім інші і там, можливо, можуть працювати зовсім інші закони хімії. Правила хімії не такі суворі, як математичні теореми, і можуть бути порушені – достатньо знайти умови, нехай і фантастичні, такі, що здаються неможливими.
На практиці це означає, що можливе створення матеріалів з незвичайними властивостями, які здаються на перший погляд абсурдними. Наприклад, серед створених командою Артема Оганова сполук є двовимірні метали, які проводять електрику лише вздовж шарів матеріалу, але не впоперек. Один із матеріалів, Na3Cl, має дивовижну структуру. Він складається з шарів NaCl і шарів чистого натрію, при цьому шари NaCl виступають як ізолятори, а шари чистого натрію проводять струм. Системи з подібною двовимірною електропровідністю мають великий потенціал у мікроелектроніці.
Експерименти з кухонною сіллю – це лише початок довгого шляху, на якому буде створено безліч абсолютно нових сполук. «Якщо навіть проста хімічна сполука, сіль, здатна перетворитися на такі різноманітні речовини в умовах високого тиску, то й інші, ймовірно, також на це здатні, – пояснює Олександр Гончаров. – Це може допомогти відповісти на багато важливих запитань, наприклад, про початок розвитку планетарних ядер, а також допоможе створити нові, дуже корисні матеріали».
Немає коментарів:
Дописати коментар