Array

Ученые предсказали два «невозможных» оксида алюминия

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 (Nature Publishing Group).

Рис.1. Кристаллическая решетка оксида алюминия AlO2 при давлении 500 ГПа. (c) Yue Liu et al
IMG_2696.JPG 

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
IMG_2697.JPG

«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.