Группа ученых под руководством Артема Оганова из МФТИ с помощью компьютерного моделирования «предсказала» пять абсолютно новых соединений углерода и кальция и получила два из них в эксперименте — новые материалы обладают крайне разнообразными химическими и физическими свойствами. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Nature Communications.
С карбидом кальция или просто «карбидом» сталкивались все, кто застал позднесоветскую эпоху: белые камушки, из которых получали ацетилен для газосварки и которые так эффектно шипели в лужах, были главным элементом дворовых химических экспериментов. Сегодня карбид кальция CaC2 используется по-прежнему: для промышленного производства ацетилена (хотя во дворах его уже не найдешь, для газосварки теперь используют готовый ацетилен в баллонах) и производства удобрений.
Известен также более экзотический вариант соединения кальция и углерода — гексакарбид кальция CaCsub>6, который становится сверхпроводником при довольно высокой температуре — 11,5 кельвина.
Теперь ученые обнаружили, что разнообразие соединений углерода и кальция не исчерпывается этими двумя веществами. С помощью компьютерного моделирования они выяснили, что при определенных условиях существуют еще как минимум пять других карбидов.
Группа Оганова специализируется на поиске «невозможных» соединений, которые могут существовать вопреки известным химическим законами. С помощью созданного Огановым алгоритма моделирования химических соединений USPEX они 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. Они также открыли несколько нестандартных оксидов алюминия, оксидов магния и ряд других веществ.
Рис. Предсказанные кристаллические структуры соединений Ca-C. © Yan-Ling Li et al. / Nature Communications
Соединения кальция и углерода привлекли внимание Оганова и его коллег тем, что оба эти элемента показывают большое разнообразие структурных и электронных свойств при разных давлениях. В частности, кальций при давлении 216 гигапаскалей демонстрирует наивысшую температуру перехода в сверхпроводящее состояние для чистых элементов (29 кельвинов).
Ученые с помощью компьютерного алгоритма USPEX проанализировали все возможные карбиды кальция, которые возникают при давлении от нормального до 100 гигапаскалей. Они обнаружили пять таких веществ: Ca5C2, Ca2C, Ca3C2, CaC и Ca2C3.
Как показали расчеты, Ca2C3 остается стабильным при давлении ниже 28 гигапаскалей, Ca5C2 — выше 58 гигапаскалей, Ca2C — выше 14 гигапаскалей, Ca3C2 — с 50 гигапаскалей, CaC — с 26 гигапаскалей, а CaC2 стабилен выше 21 гигапаскалей. Кристаллическая структура этих соединений содержит углеродные постройки, которые варьируются от «гантелей», до «лент» и «слоев», состоящих из шестигранников.
Наиболее интересным соединением оказался Ca2C, который по своей структуре и свойствам является, как и графен, двумерным металлом. Графен — углеродный материал, за создание которого Андрею Гейму и Константину Новоселову была присуждена Нобелевская премия. Но, в отличие от графена, в Ca2C ток проходит по слоям атомов кальция, а не углерода, и в кальциевых слоях присутствуют сгустки «ничейных» электронов.
Чтобы подтвердить теоретические предсказания, группа Оганова провела эксперимент по синтезу предсказанных веществ. Исследователи поместили смесь кальция и углерода в так называемую ячейку с алмазными наковальнями — камеру, в которой образец вещества сжимается между двумя алмазами. В такой камере давление может достигать сотен гигапаскалей.
При давлении более 10 гигапскалей и температуре около 2000 кельвинов ученые зафиксировали образование Ca2C3, а при давлении более 22 гигапаскалей — образование Ca2C. Их теоретически предсказанная структура была подтверждена с помощью синхротронного излучения.
«Эти необычные вещества могут найти себе практические применения, если удастся синтезировать их в достаточных количествах», — говорит Оганов.
Так, например, двумерные карбиды, где есть «неприкаянные» электронные сгустки — уникальные восстановители — можно применить в химической промышленности, а карбиды, где есть группы из трех и более атомов углерода, — для синтеза необычных углеводородов, полагает ученый.
Ссылка на статью.
DOI:10.1038/ncomms7974
