Kolarrangemang med ökande kolhalt. Kredit:© Yan-Ling Li et al. / Naturkommunikation
Ett team ledd av MIPT-professor Artem Oganov har använt datorsimulering för att förutsäga existensen av fem helt nya föreningar av kol och kalcium med olika kemiska och fysikaliska egenskaper, få två av dem genom experiment. Journalen Naturkommunikation har publicerat en artikel med resultaten av studien.
Kalciumkarbid (CaC2) är inte en sällsynt kemisk förening:du kan ha stött på dessa små vita stenar från vilka acetylen för gassvetsning och gödningsmedel produceras. Det finns också en mer exotisk form av en kalcium- och kolförening, kalciumhexakarbid (CaC6), som blir en supraledare vid relativt höga temperaturer på 11,5 Kelvin.
Oganov-gruppen har upptäckt att variationen av kol- och kalciumföreningar inte är begränsad till dessa två ämnen. Med hjälp av datorsimulering, de fann att minst fem andra karbider kan existera under vissa förhållanden.
Forskarna är specialiserade på att söka efter föreningar som verkar omöjliga, eftersom deras existens strider mot kända kemiska lagar. Med hjälp av den kemiska föreningssimuleringsalgoritmen USPEX utvecklad av professor Oganov, de förutspådde förekomsten av "icke-standardiserade" salter av natrium och klor, NaCl3, NaCl7, Na3Cl2, Na2Cl och Na3Cl, som bröt mot kemins lagar, och erhöll sedan dessa föreningar under experiment. De upptäckte också flera "icke-standardiserade" aluminiumoxider, magnesiumoxider och andra ämnen.
Förutspådda kristallstrukturer av Ca-C-föreningar. Kredit:© Yan-Ling Li et al. / Naturkommunikation
Kalcium- och kolföreningar väckte gruppens uppmärksamhet eftersom de strukturella och elektroniska egenskaperna hos båda grundämnena varierar mycket vid olika tryck. Särskilt, vid ett tryck av 216 GPa, kalcium visar den högsta supraledande övergångstemperaturen (29 K) bland rena grundämnen.
Med hjälp av USPEX-simulatorn, forskarna analyserade egenskaperna hos alla möjliga karbider som kan syntetiseras vid tryck som sträcker sig från normala till 100GPa och upptäckte fem möjliga ämnen:Ca5C2, Ca2C, Ca3C2, CaC och Ca2C3.
Deras beräkningar visade att Ca2C3 förblir stabil vid tryck under 28 GPa, Ca5C2 vid tryck över 58 GPa, Ca2C - över 14 GPa, Ca3C2 - över 50GPa, CaC - över 26GPa, och CaC2-över 21 GPa. Kristallgittren av dessa föreningar innehåller kolstrukturer, med former som sträcker sig från hantlar till bälten och lager bestående av hexagoner.
Ca2C visade sig vara den mest märkliga föreningen. Som grafen, den har strukturen och egenskaperna hos en tvådimensionell metall. Grafen är ett kolhaltigt material, vars syntes gav Andre Geim och Konstantin Novoselov 2010 års Nobelpris. Men till skillnad från grafen, i Ca2C går elektrisk ström längs lagren av kalciumatomer, inte kolatomer, och det finns klumpar av fria elektroner i kalciumskikten.
För att bekräfta deras teoretiska förutsägelser, Oganovs grupp genomförde ett experiment för att syntetisera föreningarna. De placerade en blandning av kalcium och kol i en så kallad diamantstädcell, en kammare i vilken ett materialprov kläms mellan två diamanter. Trycken kan nå hundratals GPa i en sådan kammare.
Forskarna registrerade syntesen av Ca2C3 vid tryck som översteg 10 GPa och temperaturer nära 2000 K, medan Ca2C observerades när trycken översteg 22 GPa. Med hjälp av synkrotronstrålning, gruppen kunde bekräfta förekomsten av strukturer som de förutspådde teoretiskt.
"Det är möjligt att hitta praktiska tillämpningar för dessa ovanliga ämnen, om de syntetiseras i tillräckliga mängder, " Sa Oganov.
Tvådimensionella karbider med fria elektronklumpar är unika reducerare och kan användas inom den kemiska industrin. Karbider med tre eller fler kolatomer kan användas för att syntetisera ovanliga kolväten, Oganov tillade.
