Когда давление колеблется, химические элементы могут вести себя неожиданным образом. Под высоким давлением литий и цезий образуют странные сверхпроводящие соединения, нарушающие традиционный принцип электроотрицательности и демонстрирующие новые кристаллические структуры. Эти соединения, обнаруженные с помощью высокоточного алгоритма, позволяют предположить существование неисследованного пути к высокотемпературной сверхпроводимости.
В исследовании, проведенном в прошлом году, ученые перевернули представление об электроотрицательности, применив высокое давление. Электроотрицательность - это свойство химических элементов, которое отражает способность их атомов отдавать или принимать электроны в ходе химических реакций. Чем больше разница в электроотрицательности двух гипотетических элементов, тем сильнее реакция, возникающая при их соединении.
Возьмем, к примеру, реакцию натрия с медью и водой. Если кусок металла погрузить в воду, то никакой видимой реакции не происходит. Однако, если добавить натрий, химическая реакция будет настолько бурной, что выделится достаточно тепла, чтобы полностью разжижить натрий. У натрия настолько низкая электроотрицательность, что он легко отдает свои электроны атомам других присутствующих элементов. Поэтому электроотрицательность является одним из фундаментальных свойств химических элементов, определяя, с чем и как они реагируют, а также тип связей и свойства, которыми будут обладать соединения, образующиеся в результате реакции.
Однако этот общепринятый принцип электроотрицательности применим только к стандартным условиям атмосферного давления на Земле. Это связано с тем, что химические элементы с большой вероятностью могут по-разному реагировать на изменение давления, например, на других планетах. Например, при достаточно высоком давлении любое вещество становится металлическим, другие образуют соединения и т.д.
Новое исследование, описанное в журнале , подтверждает эту новую концепцию электроотрицательности на примере двух элементов, которые в обычных условиях никогда бы не объединились в соединение: лития и цезия. Под воздействием высокого давления могут образовываться различные соединения. Хотя некоторые из них уже были идентифицированы, исследователи разработали более точный алгоритм моделирования для предсказания других. Эти новые соединения, как утверждается, демонстрируют большую стабильность, новую кристаллическую структуру и сверхпроводимость (отсутствие электрического сопротивления) при "высокой температуре" (около -219 °C при давлении 380 ГПа для одного из соединений).
Обратная электроотрицательность
Открытые исследователями из Цзянсуского педагогического университета, Университета Невады, Самарского государственного технического университета и Сколковского института науки и технологий (Сколтех), новые соединения были предсказаны алгоритмом под названием USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography). В обычных условиях (то есть согласно общепринятому принципу электроотрицательности) литий должен захватывать электроны у цезия, который является самым электроположительным элементом (легко отдает электроны) в периодической таблице. Однако под действием высокого давления принцип оказался полностью обратным: цезий захватил электроны лития.
Такое необычное химическое поведение привело к появлению 4 странных соединений: Li 14 Cs, Li 8 Cs, Li 7 Cs et Li 6 Cs. Два из них - Li 14 Cs et Li 6 Cs - имеют кристаллические структуры, которые никогда ранее не наблюдались. "Это довольно редкое явление для соединений всего двух элементов", — говорит Артем Р. Оганов, соавтор исследования и научный сотрудник Сколтеха.
Кроме того, утверждается, что эти четыре соединения способны проводить электричество с нулевым сопротивлением и нулевой потерей энергии. Более конкретно, это сверхпроводники с высокой критической температурой, полученные с помощью особой структурной топологии и инверсии электроотрицательности (перенос заряда с лития на цезий). Это свойство особенно интересно для создания высокоэффективных электрических сетей, сверхбыстрых электронных чипов и электромагнитов, настолько мощных, что они могут "левитировать" поезд или управлять термоядерными реакторами.
Однако "с технологической точки зрения эти критические температуры не очень хороши по сравнению с тем, что мы наблюдали в полигидридах - богатых водородом соединениях некоторых металлов", — подчеркивает Оганов. Тем не менее результаты исследования улучшают наше понимание химии лития и могут привести к созданию новых сверхпроводников, пригодных для использования в составе материалов. Как и водород, литий имеет только один валентный электрон и является одним из самых легких элементов. Эти характеристики весьма благоприятны для высокотемпературной сверхпроводимости.
"Наши результаты не только расширяют глубокое понимание поведения интерметаллических соединений при высоком давлении, но и открывают новый путь для разработки новых сверхпроводников", — пишут исследователи в своей статье.