Ett internationellt team av fysiker och materialvetare från NUST MISIS, Bayerisches Geoinstitut (Tyskland), Linköpings universitet (Sverige), och California Institute of Technology (U.S.) har upptäckt en ”omöjlig” modifiering av silica-coesite-IV och coasite-V material, som verkar trotsa de allmänt accepterade regler för bildning av kemiska bindningar i oorganiska material formulerade av Linus Pauling, som vann Nobelpriset i kemi 1954 för den upptäckten. Forskningsresultaten publicerades i Naturkommunikation den 15 november 2018.

Enligt Paulings regler, fragmenten av atomgittret i oorganiska material är förbundna med hörn, eftersom bindning med ytor är det mest energikrävande sättet att bilda en kemisk koppling. Därför, det finns inte i naturen. Dock, forskare har visat, både experimentellt och teoretiskt, använder NUST MISIS superdator, att det är möjligt att bilda sådana anslutningar om materialen är under ultrahöga tryckförhållanden. De erhållna resultaten visar att fundamentalt nya materialklasser existerar under extrema förhållanden.

"I vårt arbete, vi har syntetiserat och beskrivit metastabila faser av högtryckskiseldioxid:coesite-IV och coesite-V. Deras kristallstrukturer skiljer sig drastiskt från någon av de tidigare beskrivna modellerna, säger Igor Abrikosov, ledare för det teoretiska forskarteamet. "Två nyupptäckta coesiter innehåller oktaedrar SiO ₆ , den där, i strid med Paulings regel, är anslutna genom gemensamt ansikte, vilket är den mest energikrävande kemiska förbindelsen. Våra resultat visar att den möjliga silikatmagman i jordens nedre mantel kan ha komplexa strukturer, vilket gör dessa magma mer komprimerbara än förutspått."

Forskargruppen, ledd av professor Igor Abrikosov, fokuserat på studiet av materialen vid ultrahögt tryck. Dessa extrema förhållanden leder till kvalitativt nya material. Till exempel, i en av de senaste tidningarna, forskare rapporterade om skapandet av nitrider som tidigare ansågs omöjliga att erhålla.

Information om kiseloxidens struktur och mekaniska egenskaper är avgörande för att förstå de processer som äger rum i jordens mantel. När man studerar materialets struktur, som finns vid extremt höga temperaturer och tryck djupt i jordens inre, forskarna upptäckte att en speciell modifiering av kiseloxid, polymorf coesit, genomgår ett antal fasövergångar vid ett tryck på 30 GPa och bildar nya faser ("coesite-IV" och "coesite-V"), som upprätthåller tetraedriskt SiO ₄ som de viktigaste strukturella elementen i kristallgittret.

I de nya experimenten, forskarna har gått längre genom att komprimera kiseloxid i ett diamantstäd till ett tryck på mer än 30 GPa och observerat strukturella förändringar i denna fas med enkristallröntgendiffraktion. Resultaten är överraskande:Dessa strukturella förändringar är undantag från Paulings regler.

Forskarna har upptäckt två nya modifieringar av coesite (coesite-IV och coesite-V) med strukturer (Figur 1) som är exceptionella och till synes "omöjliga" enligt klassisk kristallkemi:De har pentakoordinerat kisel, intilliggande oktaedrar SiO ₆ , och består av fyra-, fem- och sexkoordinat kisel samtidigt. Dessutom, flera fragment av atomgittret förbinds med ansikten, inte hörn, vilket borde vara omöjligt, enligt Paulings regler.