Международный коллектив ученых из НИТУ «МИСиС», Университета Линчепинга (Швеция) и Университета Байрота (Германия) установил, что, вопреки привычным физико-химическим законам, у ряда материалов при сверхвысоких давлениях структура не уплотняется, а формирует пористый «каркас», который заполняется молекулами газа. Такое произошло с образцами осмия, гафния и вольфрама, помещенными вместе с азотом в алмазную наковальню под давлением в миллион атмосфер. Фундаментальное открытие коллектива описано в статье в Angewandte Chemie.
«Если очень сильно сжать карандашный грифель, то он превратится в алмаз» — в детстве этот факт кажется чем-то из ряда вон выходящим. Но изучение химии и физики позволяет понять: никакого чуда нет, и углерод, из которого состоят и карандашный грифель, и алмаз, действительно образует другую кристаллическую структуру под очень высоким давлением. В целом, все логично — под давлением пустое пространство между атомами уменьшается, и материал становится плотнее; так можно было сказать о любом материале — до недавнего момента.
Оказалось, что ряд материалов при приложении сверхвысокого давления может становиться пористым. К такому выводу пришел международный коллектив ученых из НИТУ «МИСиС», Университета Линчепинга (Швеция) и Университета Байрота (Германия). В ходе исследования изучалось поведение трех металлов (гафния, вольфрама и осмия) при помещении их в алмазную наковальню под давлением в 1 миллион атмосфер, что соответствует давлению на глубине 2,5 тысяч километров под землей. При этом каждый раз в алмазной наковальне приутствовал азот — ученые считают, что именно комбинация давления и азота повлияла на формирования пористого «каркаса» в кристаллической решетке.
«Сам по себе азот довольно инертен — без сверхвысокого давления он бы никак не прореагировал с этими металлами. Так же и материалы без азота под давлением бы просто сжались, — комментирует руководитель исследования со стороны НИТУ „МИСиС“, заведующий лабораторией моделирования и разработки новых материалов, профессор Игорь Абрикосов. — Однако в совокупности получился удивительный результат: часть атомов азота формировала в материалах своеобразный армирующий каркас, позволяя образовать поры в кристаллической решетке, впуская внутрь дополнительные молекулы азота».
Эксперимент вначале проводился физически — зарубежной частью научной команды — а затем его результаты подтверждались теоретическим моделированием на суперкомпьютерном кластере НИТУ «МИСиС». Ученые подчеркивают, что исследование носит фундаментальный характер — материалы с такими свойствами пока не создаются под конкретные задачи; на данный момент важен сам факт возможности получения ранее немыслимых модификаций.
Отдельной задачей является сохранение таких материалов при обычном атмосферном давлении. В одной из предыдущих работ ученым удалось добиться «выживания» особой модификации нитрида рения. Сейчас в качестве одного из способов стабилизации материалов рассматривается быстрое охлаждение до критически низких температур.
Работа научного коллектива была отмечена редакторами журнала Angewandte Chemie как Hot Paper, а иллюстрация из статьи — помещена на обложку. С российской стороны исследование поддержано грантом Российского научного фонда №
