Исследовательская группа нашла форму элемента бора, который, согласно учебникам, даже не должен существовать: ионный кристалл. О своих результатах ученые сообщают в актуальном интернет-издании научного журнала Nature.
Бор - это редкий металлоид, используемый в своей кристаллической форме для роторов вертолетов, теннисных стоек и клюшек для гольфа из-за его высокой прочности и жесткости. Однако из всех элементов бор наиболее чувствителен к примесям. Даже один процент посторонних атомов может изменить структуру и свойства бора. Эта чувствительность затрудняет изучение элемента.
Высокое давление приводит к новой форме
Теоретики и ученые-экспериментаторы сделали большой шаг вперед: они обнаружили новую сверхтвердую форму бора.
Для синтеза новой формы требовался чрезвычайно чистый бор. Используемый материал содержал не более одного постороннего атома на миллион атомов бора. Материал подвергался давлению от двенадцати до 30 гигапаскалей и температуре более 1500 градусов по Цельсию. Для сравнения: для производства искусственного алмаза из графита необходимо давление в шесть гигапаскалей.
Компьютерное моделирование определяет структуру химических элементов
При давлении ниже 19 гигапаскалей атомы бора образуют кристаллическую структуру, в которой двенадцать атомов выстраиваются в икосаэдр - тело, состоящее из двадцати равносторонних треугольников. Однако более высокое давление заставляет атомы формировать более плотное расположение. Однако выяснить экспериментально, что это за структура, не удалось.
Во время работы на кафедре материаловедения Швейцарской высшей технической школы Цюриха кристаллограф Артем Оганов разработал метод предсказания структуры химических элементов с помощью компьютерного моделирования. Его расчеты показали, что при давлении от 19 до 89 гигапаскалей атомы бора образуют две разные формы, так называемые нанокластеры. С одной стороны икосаэдры образованы из двенадцати атомов, с другой гантели из двух атомов. Два нанокластера расположены в кристалле подобно атомам натрия и хлора в поваренной соли.
Сверхтвердый кристалл
Дальнейшие эксперименты показали, что новая структура, которую исследователи назвали гамма-В, представляет собой сверхтвердый кристалл. Кроме того, теоретики обнаружили необычное свойство материала: элемент в кристалле ионизирован, то есть заряды распределяются между атомами неравномерно. Согласно учебнику, ионизация должна происходить только между двумя разными элементами, например, между натрием и хлоридом в поваренной соли. Однако в недавно открытой структуре бора ионизация происходит между двумя типами нанокластеров одного и того же элемента.
Другие элементы также могут принимать ионные состояния
Оганов и его коллеги также подсчитали, что другие элементы, такие как определенные углеродные структуры, также могут принимать ионные состояния. Оганов, который сейчас является профессором Университета Стоуни-Брук в США, ожидает, что рано или поздно будут разработаны приложения на основе ионных элементов. Это связано с тем, что свойства элемента изменяются, когда он становится ионным, например, он может поглощать инфракрасное излучение.
По мнению ученых, возможен материал, который лишь частично впитывает или чья впитывающая способность зависит от температуры. Кроме того, в связи со сверхпроводимостью могут возникнуть интересные эффекты.