Unikke reduktionsgear og nye carbonhydridsyntesemetoder til fem nye calciumcarbider

Et team ledet af MIPT -professor Artem Oganov har brugt computersimulering til at forudsige eksistensen af ​​fem helt nye forbindelser af kulstof og calcium med forskellige kemiske og fysiske egenskaber, få to af dem ved forsøg. Tidsskriftet Naturkommunikation har offentliggjort en artikel med undersøgelsens resultater.

Calciumcarbid (CaC2) er ikke en sjælden kemisk forbindelse:du er muligvis stødt på disse små hvide sten, hvorfra acetylen til gassvejsning og gødning fremstilles. Der er også en mere eksotisk form af en calcium- og kulstofforbindelse, calciumhexacarbid (CaC6), som bliver en superleder ved relativt høje temperaturer på 11,5 Kelvin.

Oganov -gruppen har opdaget, at sorten af ​​carbon- og calciumforbindelser ikke er begrænset til disse to stoffer. Ved hjælp af computersimulering, de fandt ud af, at mindst fem andre carbider kan eksistere under visse betingelser.

Forskerne specialiserer sig i at søge efter forbindelser, der virker umulige, da deres eksistens strider mod kendte kemiske love. Ved hjælp af den kemiske sammensatte simuleringsalgoritme USPEX udviklet af professor Oganov, de forudsagde eksistensen af ​​"ikke -standardiserede" salte af natrium og chlor, NaCl3, NaCl7, Na3Cl2, Na2Cl og Na3Cl, der brød lovens kemi, og opnåede derefter disse forbindelser under forsøg. De opdagede også flere "ikke -standardiserede" aluminiumoxider, magnesiumoxider og andre stoffer.

Calcium og kulstofforbindelser tiltrak gruppens opmærksomhed, fordi de strukturelle og elektroniske egenskaber for begge elementer varierer meget ved forskellige tryk. I særdeleshed, ved et tryk på 216 GPa, calcium viser den højeste superledende overgangstemperatur (29 K) blandt rene elementer.

Ved hjælp af USPEX -simulatoren forskerne analyserede egenskaberne for alle mulige carbider, der kan syntetiseres ved tryk fra normalt til 100GPa og påviste fem mulige stoffer:Ca5C2, Ca2C, Ca3C2, CaC og Ca2C3.

Deres beregninger viste, at Ca2C3 forbliver stabil ved tryk under 28 GPa, Ca5C2 ved tryk over 58 GPa, Ca2C - over 14 GPa, Ca3C2 - over 50GPa, CaC - over 26GPa, og CaC2 -over 21 GPa. Krystalgitterne i disse forbindelser indeholder kulstofstrukturer, med former lige fra håndvægte til bælter og lag bestående af sekskanter.

Ca2C viste sig at være den mest særegne forbindelse. Ligesom grafen, det har strukturen og egenskaberne af et todimensionalt metal. Graphen er et kulstofmateriale, hvis syntese gav Andre Geim og Konstantin Novoselov Nobelprisen i 2010. Men i modsætning til grafen, i Ca2C går elektrisk strøm langs lagene af calciumatomer, ikke kulstofatomer, og der er klumper af frie elektroner i calciumlagene.

For at bekræfte deres teoretiske forudsigelser, Oganovs gruppe udførte et eksperiment for at syntetisere forbindelserne. De placerede en blanding af calcium og kulstof i en såkaldt diamantamboltcelle, et kammer, hvori en materialeprøve klemmes mellem to diamanter. Tryk kan nå hundredvis af GPa i et sådant kammer.

Forskerne registrerede syntesen af ​​Ca2C3 ved tryk over 10 GPa og temperaturer nær 2000 K, mensCa2C blev observeret, når trykket oversteg 22 GPa. Ved hjælp af synkrotronstråling, gruppen var i stand til at bekræfte eksistensen af ​​strukturer, de teoretisk forudsagde.

"Det er muligt at finde praktiske anvendelser for disse usædvanlige stoffer, hvis de syntetiseres i tilstrækkelige mængder "Sagde Oganov.

To-dimensionelle karbider med frie elektronklumper er unikke reducatorer og kan bruges i den kemiske industri. Karbider med tre eller flere carbonatomer kan bruges til at syntetisere usædvanlige carbonhydrider, Oganov tilføjet.