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
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.