Группа ученых под руководством Артема Оганова из МФТИ с помощью компьютерного моделирования предсказала существование сразу двух «нестандартных» вариантов оксида алюминия — они стабильны при давлении в несколько миллионов атмосфер и могут присутствовать в недрах планет-гигантов и суперземель, говорится в статье, опубликованной в престижном журнале Scientific Reports.
Рис.1. Кристаллическая решетка оксида алюминия AlO2 при давлении 500 ГПа. (c) Yue Liu et al
Алюминий и кислород — одни из самых распространенных элементов на Земле. До сих пор химикам было известно их единственное стабильное соединение, оксид алюминия Al2O3. Это вещество может принимать самые разные облики, например, рубин и сапфир — это кристаллы оксида алюминия, их цвет определяется некоторыми примесями. Корунд, который широко используется благодаря своей высокой прочности (как абразивный материал) и прозрачности (например, как материал для оптических окон в экспериментах по сжатию вещества в ударных волнах) — тоже кристаллический оксид алюминия. Химические характеристики связи атомов алюминий-кислород, показывали, что единственный стабильный вариант — Al2O3.
Однако группа Оганова уже много лет занимается поиском «невозможных» соединений. Ученые с помощью созданного ими алгоритма моделирования химических соединений USPEX в 2013 году предсказали существование «нестандартной» соли — соединений натрия и хлора, которые нарушали все химические законы: NaCl3 , NaCl7, Na3Cl2, Na2Cl и Na3Cl, а затем получили эти соединения в экспериментах.
Рис 2. Кристаллическая решетка оксида алюминия Al4O7 при давлении 400 ГПа. (c) Yue Liu et al
«После того, как мы открыли запрещенные классической химией новые хлориды натрия, выяснилось, что запрещенные соединения возникают почти во всех системах под давлением. Модели классической химии просто непригодны к экстремальным условиям. Какие системы мы ни смотрели — всюду появляются странные устойчивые соединения. И пока что нет простых моделей, которые описывали бы весь этот «зоопарк»», — говорит Оганов, возглавляющий лабораторию компьютерного дизайна материалов МФТИ.
Теперь он и его коллеги из США, Австрии и Китая решили проверить, можно ли ожидать появления «запретных» химических соединений в случае алюминия и кислорода.
С помощью алгоритма USPEX ученые проверили диапазон давлений от 0 до 520 гигапаскалей с шагом в 10 гигапаскалей в поисках стабильных соединений алюминия и кислорода. В результате они нашли «стандартный» оксид Al2O3 и два неклассических: AlO2 и Al4O7. Первый из них стабилен при давлении выше 332 гигапаскалей, а второй — в диапазоне 330–443 гигапаскалей.
«Такие давления существуют уже в земном ядре, но оно в основном состоит из железа и его сплавов. Для более массивных, чем Земля, каменистых планет такие давления приходятся на мантию — где содержание алюминия и кислорода велико, и такие соединения могут существовать. Сейчас астрономам известны такие планеты, их называют суперземлями», — говорит Оганов.
———————————————————————-
Ссылка на статью: Yue Liu, Artem R. Oganov, Shengnan Wang, Qiang Zhu, Xiao Dong, Georg Kresse, Prediction of new thermodynamically stable aluminum oxides. Scientific Reports, Apr 1, 2015
doi:10.1038/srep09518.
