Silica paradoks:Forskere opdager tilsyneladende umuligt materiale

Et internationalt team af fysikere og materialeforskere fra NUST MISIS, Bayerisches Geoinstitut (Tyskland), Linköpings Universitet (Sverige), og California Institute of Technology (U.S.) har opdaget en "umulig" modifikation af silica-coesite-IV og coasite-V materialer, som tilsyneladende trodser de generelt accepterede regler for dannelse af kemiske bindinger i uorganiske materialer formuleret af Linus Pauling, der vandt Nobelprisen i kemi i 1954 for denne opdagelse. Forskningsresultaterne blev offentliggjort i Naturkommunikation den 15. november 2018.

Ifølge Paulings regler, fragmenterne af atomgitteret i uorganiske materialer er forbundet med hjørner, fordi binding med ansigter er den mest energikrævende måde at danne en kemisk forbindelse på. Derfor, det findes ikke i naturen. Imidlertid, videnskabsmænd har bevist, både eksperimentelt og teoretisk, ved hjælp af NUST MISIS' supercomputer, at det er muligt at danne en sådan forbindelse, hvis materialerne er under ultrahøjt trykforhold. De opnåede resultater viser, at fundamentalt nye klasser af materialer eksisterer under ekstreme forhold.

"I vores arbejde, vi har syntetiseret og beskrevet metastabile faser af højtrykssilica:coesit-IV og coesite-V. Deres krystalstrukturer er drastisk forskellige fra nogen af ​​de tidligere beskrevne modeller, " siger Igor Abrikosov, leder af det teoretiske forskerhold. "To nyopdagede coesites indeholder oktaeder SiO ₆ , at, i modsætning til Paulings regel, er forbundet gennem fælles ansigt, som er den mest energikrævende kemiske forbindelse. Vores resultater viser, at de mulige silikatmagmer i Jordens nedre kappe kan have komplekse strukturer, hvilket gør disse magmaer mere komprimerbare end forudsagt før."

Forskerholdet, ledet af professor Igor Abrikosov, fokuseret på studiet af materialerne ved ultrahøjt tryk. Disse ekstreme forhold fører til kvalitativt nye materialer. For eksempel, i en af ​​de seneste aviser, forskere rapporterede om oprettelsen af ​​nitrider, som man tidligere troede var umulig at opnå.

Information om siliciumoxids struktur og mekaniske egenskaber er afgørende for at forstå de processer, der finder sted i Jordens kappe. Mens man studerede materialets struktur, som eksisterer ved ekstremt høje temperaturer og tryk dybt i Jordens indre, forskerne opdagede, at en særlig modifikation af siliciumoxid, polymorf coesit, gennemgår en række faseovergange ved et tryk på 30 GPa og danner nye faser ("coesite-IV" og "coesite-V"), som opretholder tetraedrisk SiO ₄ som de vigtigste strukturelle elementer i krystalgitteret.

I de nye forsøg, forskerne er gået længere ved at komprimere siliciumoxid i en diamantambolt til et tryk på mere end 30 GPa og observeret strukturelle ændringer i denne fase ved hjælp af enkeltkrystal røntgendiffraktion. Resultaterne er overraskende:Disse strukturelle ændringer er undtagelser fra Paulings regler.

Forskerne har opdaget to nye modifikationer af coesit (coesite-IV og coesite-V) med strukturer (figur 1), der er usædvanlige og tilsyneladende "umulige" ifølge klassisk krystalkemi:De har pentakoordineret silicium, tilstødende oktaeder SiO ₆ , og består af fire-, fem- og seks-koordineret silicium på samme tid. I øvrigt, flere fragmenter af atomgitteret forbindes med flader, ikke hjørner, hvilket burde være umuligt, ifølge Paulings regler.