Команде под руководством Карнеги удалось обнаружить пять новых форм кремнезема при экстремальном давлении при комнатной температуре. Их выводы опубликованы Nature Communications.
Диоксид кремния, обычно называемый кремнеземом, является одним из самых распространенных природных соединений и основным компонентом земной коры и мантии. Он хорошо известен даже не ученым в своей кристаллической форме кварца, который во многих местах является основным компонентом песка. Он используется в производстве микрочипов, цемента, стекла и даже зубной пасты.
Различные формы кремнезема под высоким давлением делают его часто используемым объектом исследований для ученых, интересующихся переходом между различными химическими фазами в экстремальных условиях, таких как те, которые имитируют недра Земли.
Первая обнаруженная более плотная форма или фаза кремнезема, работающая при высоком давлении и высокой температуре, называется коэситом, который, как и кварц, состоит из строительных блоков атомов кремния, окруженных четырьмя атомами кислорода. При более высоких давлениях и температурах он превращается в еще более плотную форму, называемую стишовит, в которой атомы кремния окружены шестью атомами кислорода. Переход между этими фазами имел решающее значение для изучения градиента давления в недрах Земли, а изменение конфигурации с четырех на шесть вызвало большой интерес у геологов. Эксперименты выявили помимо этих двух фаз кремнезема еще более высокого давления, иногда называемых постстишовитом.
Химическая фаза - это характерная и однородная конфигурация молекул, из которых состоит вещество. Изменения внешних условий, таких как температура и давление, могут вызвать переход из одной фазы в другую, подобно замерзанию воды в лед или кипению в пар..
Команда, в которую входили Цинъян Ху из Карнеги, Цзиньфу Шу, Юэ Мэн, Венге Ян и Хо-Кван, «Дэйв» Мао, продемонстрировала, что при диапазоне от 257 000 до 523 000 раз выше нормального атмосферного давления (от 26 до 53 гигапаскалей), монокристалл коэсита трансформируется в четыре новые, сосуществующие кристаллические фазы, прежде чем, наконец, рекомбинируется в единую фазу, более плотную, чем стишовит, иногда называемую постстишовитом, который является пятой недавно обнаруженной фазой. Этот переход происходит при комнатной температуре, а не при экстремальных температурах глубоко под землей.
Ученые ранее думали, что этот промежуточный продукт является аморфным, что означает отсутствие дальнего порядка кристаллической структуры. В этом новом исследовании используются превосходные рентгеновские аналитические датчики, чтобы показать обратное - это четыре отдельные, хорошо кристаллизованные фазы кремнезема без аморфизации. Расширенные теоретические расчеты, выполненные группой, предоставили подробные объяснения путей перехода от коэсита к четырем кристаллическим фазам и к постстишовиту.
«Ученые давно спорят о том, существует ли фаза между четырех- и шестикислородными фазами», - сказал Мао. «Эти недавно обнаруженные четыре переходные фазы и обнаруженная нами новая фаза постстишовита показывают недостающее звено, которое мы искали».