Невозможное возможно: открыты модификации материала, противоречащие устоявшимся химическим принципам

Кубики, о которых идет речь, – не что иное, как элементы кристаллической структуры материалов, модифицировав которые, можно «наградить» материалы принципиально новыми свойствами. Но определенные трансформации невозможны в рамках привычных представлений.

Решением этой проблемы – преодолением «невозможности» – занимаются ученые из НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из Университета Байройта и Исследовательского центра DESY (Германия), Линчёпинского университета (Швеция), а также Российской академии наук (Институт наук о земле и Кольский научный центр). Как показали результаты их совместных исследований – лабораторного эксперимента и его теоретического моделирования – получение «невозможных» модификаций материалов вполне возможно – и для этого необходимо подвергнуть их сверхвысоким давлениям, в сотни тысяч раз превышающим атмосферное.

«Мы работали с херлбутитом – одной из форм соединения бериллия с химической формулой CaBe2P2O8. В классических условиях он имеет тетраэдральную структуру – бериллий формирует четырехгранные пирамиды с атомами кислорода, и до недавних пор считалось, что это максимально возможная координация берилия. Однако наши коллеги из Германии провели эксперимент, в результате которого выяснилось, что кристаллическая структура может перестраиваться. В ходе эксперимента материал помещался в алмазную наковальню, где подвергался воздействию сверхвысоких давлений. Так, при давлении в 17 ГПа (170 тысяч земных атмосфер) произошло увеличение числа атомов кислорода окружающих берили до пяти , а при давлении в 80 ГПа (800 тысяч земных атмосфер) кристалл перестраивался так, что это число возросло до шести. Это невероятный результат, никем и никогда не представленный прежде. Именно поэтому ему требовалось и теоретическое обоснование, проработкой которого мы занялись независимо на нашем суперкомпьютере», – рассказывает профессор Игорь Абрикосов, д.ф.-м.н., научный руководитель лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС», заведующий отделом теоретической физики Института физики, химии и биологии Линчёпингского университета.

Теоретическое моделирование результатов эксперимента было проведено учеными НИТУ «МИСиС» в рекордно короткие сроки – всего за один месяц. Для решения уравнения Дирака с заданными переменными была задействована вся вычислительная мощность суперкомпьютерного кластера лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов». Без использования такого суперкомпьютера провести расчеты подобной сложности не удалось бы никогда – у привычных вычислительных машин просто не хватило бы мощности. Результаты вычислений почти полностью совпали с результатами эксперимента – различия минимальны, и находятся в допустимых рамках погрешности.

Как отмечает профессор Абрикосов, во многом бериллий был выбран в качестве экспериментального материала потому, что он пользуется особой популярностью в машиностроении и космической отрасли. Тем не менее, проделанная работа носит в большей степени фундаментальный характер – изучая модификации конкретных материалов, можно построить общую теоретическую модель, позволяющую систематизировать процессы и условия, необходимые для создания «невозможных материалов». В ближайших планах ученых – продолжить исследования, в частности, с таким классом материалов, как полинитриды.

Профессор Игорь Абрикосов – д.ф-м.н., научный руководитель лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС», заведующий отделом теоретической физики Института физики, химии и биологии Линчёпингского университета, академик Шведской королевской академии наук.