Юный техник, 2014 № 04

С другой стороны, в начале школьного курса химии нам рассказывают о том, что связи могут быть ковалентными или ионными, и как пример классической ионной связи приводят хлорид натрия или поваренную соль — NaCl. Один электрон от менее электроотрицательного натрия переходит к более электроотрицательному хлору, тот, согласно «правилу 8 электронов», обретает электронную конфигурацию благородного газа. По всем классическим правилам, NaCl — единственное соединение, которое может существовать в этой системе.

Так написано во всех учебниках.

Но Артем Оганов позволил себе учебникам не поверить. «Подобные истины могут быть верны для так называемых нормальных условий — атмосферного давления, комнатной температуры, — рассказывал он журналистам. — Именно такие условия царят на поверхности Земли, и мы привыкли рассчитывать и проводить химические реакции именно в таком режиме.

Артем Оганов, несмотря на свое профессорское звание, отнюдь не пожилой человек.

Но давайте копнем чуть глубже. В недрах нашей планеты царят огромные давления и высокие температуры. Они еще больше в недрах планет-гигантов, а также Солнца и других звезд. А значит, и химические реакции там могут протекать совершенно иначе».

Как именно? Это российский ученый и его коллеги попытались себе представить, рассчитать с помощью метода предсказания кристаллических структур, разработанного Огановым и известного множеству ученых во всем мире. Артем назвал свой метод USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xrystallography). Так что теперь русское слово «успех» хорошо известно кристаллографам и материаловедам.

Выпускник МГУ, А. Оганов сейчас является профессором Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук. Кроме того, под его руководством работают лаборатории в Швейцарии и Китае. Недавно он начал также работать по мегагранту российского правительства в Московском физико-техническом институте в Долгопрудном, где тоже организована специализированная лаборатория.

В своей статье «Неожиданные стабильные хлориды натрия» (Unexpected stadle stoichiometries of sodium chlorides) в журнале Science А. Оганов и его коллеги показали, что в природе вполне могут существовать и другие соединения натрия и хлора, в том числе и те, что перечислены выше.

Когда ученые помещали кристаллы соли в зону высокого давления (200 000 атмосфер), а затем добавляли хлор или натрий, появились такие «невозможные» соединения, как Na₃Cl и NaCl₃. Более того, удалось найти и другие устойчивые соединения натрия и хлора, которые считались невозможными, поскольку требуют совершенно иной формы химической связи — с более высокой энергией, чем обычно.

Тем не менее, ученые создали данные соединения, причем они, как уже говорилось, стабильны, то есть при высоком давлении сохраняют свои свойства долгое время, а при обычном давлении — несколько минут.

Это начало революции в химии, уверен Артем Оганов. «Мы обнаружили, что при давлениях, достижимых в лаборатории, получаются новые стабильные соединения, которые противоречат классическим правилам химии, — говорит он. — Если применить относительно небольшое давление в 200 000 атмосфер (давление в центре Земли составляет 3,6 млн. атмосфер), многое из того, что мы знаем из учебников химии, перестает работать».

На практике это означает, что возможно создание материалов с необычными свойствами, которые кажутся на первый взгляд абсурдными. Например, среди созданных командой Артема Оганова соединений есть двумерные металлы, которые проводят электричество лишь вдоль слоев материала, но не поперек.

Скажем, Na₃Cl состоит из слоев NaCl и слоев чистого натрия, при этом слои NaCl обладают свойствами диэлектрика, а слои чистого натрия проводят ток. Системы с подобной двумерной электропроводностью могут иметь большой успех в полупроводниковой технике.

Экзотические соединения не только расширяют теоретические горизонты познания химии, но и могут принести ощутимую пользу на практике. Так, NaCl₇, NaCl₃, Na₃Cl₂ и Na₂Cl — металлы, которые могут оказаться весьма полезными в микроэлектронике.

«Если даже простое химическое соединение, соль, способно превратиться в такие разнообразные вещества в условиях высокого давления, то и другие, вероятно, также на это способны, — объясняет Артем Оганов. — Это может помочь ответить на многие важные вопросы, например, о начале развития ядер планет, а также поможет создать новые материалы.

Такое вещество, как NaCl, не может быть исключением, скорее мы имеем дело с новым классом соединений, которые будут возникать в огромном множестве систем. Мы это уже подтвердили для KCl, а сейчас у нас уже есть предсказание для системы магний-кислород, где мы предсказываем два соединения — MgO₂ и Mg₃O₂».

Локализация электронов в кубической структуре нового соединения NaCl₃.