Обнаружены «невозможные» модификации кремнезема

Физики открыли «невозможные» с точки зрения науки модификации кремнезема коэзит-IV и коэзит-V. Их строение представляет собой исключение из общепринятых правил формирования химических связей для неорганических материалов, которые сформулировал Лайнусом Полингом. Результаты работы ученых опубликованы в Nature Communications.

Согласно правилам, которые сформулировал Лайнус Полинг, фрагменты атомной решетки неорганических материалов должны соединяться «вершинами». Дело в том, что соединение «гранями» — самый энергетически затратный способ формирования химических связей, поэтому в природе он не существует. Однако ученые показали экспериментально и доказали с использованием расчетов на суперкомпьютере, что такое соединение возможно, если поместить материалы в условия сверхвысоких давлений. Полученные результаты открывают принципиально новый класс материалов, существующий в экстремальных условиях.

В процессе исследования модификации оксида кремния ученые выяснили, что особая форма оксида кремния — полиэфир-коэзит — претерпевает ряд фазовых превращений при давлении до 30 ГПа и образует новые фазы («коэзит-II» и «коэзит III»), которые в своей кристаллической решетке сохраняют тетраэдры SiO4 как основной структурный элемент. В новых экспериментах ученые пошли дальше и дополнительно сжали оксид кремния в алмазной наковальне при сверхдавлении свыше 30 ГПа. Благодаря полученным в результате структурным изменениям ученые обнаружили исключения из правил Полинга.

В ходе эксперимента образовались две неизвестные до сих пор модификации коэзита (коэзит-IV и коэзит-V). Некоторые фрагменты атомной решетки этих модификаций соединяются гранями, а не вершинами, то есть невозможным образом.

Информация о структуре и механических свойствах кремнезема поможет понять процессы, протекающие в мантии нашей планеты. «Наши результаты показывают, что возможные силикатные магмы в нижней мантии Земли могут иметь сложные структуры, делающие их более сжимаемыми, чем предполагалось ранее», — рассказывает один из авторов работы, профессор МИСиС Игорь Абрикосов.