Een team onder leiding van MIPT-professor Artem Oganov heeft computersimulatie gebruikt om het bestaan ​​te voorspellen van vijf volledig nieuwe verbindingen van koolstof en calcium met uiteenlopende chemische en fysische eigenschappen. het verkrijgen van twee van hen door experiment. Het journaal Natuurcommunicatie heeft een artikel gepubliceerd met de resultaten van het onderzoek.

Calciumcarbide (CaC2) is geen zeldzame chemische verbinding:u bent misschien deze kleine witte rotsen tegengekomen waaruit acetyleen voor gaslassen en kunstmest wordt geproduceerd. Er is ook een meer exotische vorm van een calcium- en koolstofverbinding, calciumhexacarbide (CaC6), die bij relatief hoge temperaturen van 11,5 Kelvin een supergeleider wordt.

De Oganov-groep heeft ontdekt dat de verscheidenheid aan koolstof- en calciumverbindingen niet beperkt is tot deze twee stoffen. Met behulp van computersimulatie, ze ontdekten dat er onder bepaalde omstandigheden minstens vijf andere carbiden kunnen bestaan.

De wetenschappers zijn gespecialiseerd in het zoeken naar verbindingen die onmogelijk lijken, omdat hun bestaan ​​in strijd is met bekende chemische wetten. Met behulp van het simulatie-algoritme voor chemische verbindingen USPEX, ontwikkeld door professor Oganov, ze voorspelden het bestaan ​​van "niet-standaard" zouten van natrium en chloor, NaCl3, NaCl7, Na3Cl2, Na2Cl en Na3Cl, die de wetten van de scheikunde brak, en verkregen deze verbindingen vervolgens tijdens experimenten. Ze ontdekten ook verschillende "niet-standaard" aluminiumoxiden, magnesiumoxiden en andere stoffen.

Calcium- en koolstofverbindingen trokken de aandacht van de groep omdat de structurele en elektronische eigenschappen van beide elementen sterk variëren bij verschillende drukken. Vooral, bij een druk van 216 GPa, calcium vertoont de hoogste supergeleidende overgangstemperatuur (29 K) onder zuivere elementen.

Met behulp van de USPEX-simulator, de wetenschappers analyseerden de eigenschappen van alle mogelijke carbiden die kunnen worden gesynthetiseerd bij een druk variërend van normaal tot 100 GPa en ontdekten vijf mogelijke stoffen:Ca5C2, Ca2C, Ca3C2, CaC en Ca2C3.

Hun berekeningen toonden aan dat Ca2C3 stabiel blijft bij drukken onder 28 GPa, Ca5C2 bij drukken boven 58 GPa, Ca2C - boven 14 GPa, Ca3C2 - boven 50GPa, CaC - boven 26GPa, en CaC2 - boven 21 GPa. De kristalroosters van deze verbindingen bevatten koolstofstructuren, met vormen variërend van dumbbells tot riemen en lagen bestaande uit zeshoeken.

Ca2C bleek de meest eigenaardige verbinding te zijn. zoals grafeen, het heeft de structuur en eigenschappen van een tweedimensionaal metaal. Grafeen is een carbonisch materiaal, de synthese daarvan leverde Andre Geim en Konstantin Novoselov in 2010 de Nobelprijs op. Maar in tegenstelling tot grafeen, in Ca2C gaat elektrische stroom langs de lagen calciumatomen, geen koolstofatomen, en er zijn klompjes vrije elektronen in de calciumlagen.

Om hun theoretische voorspellingen te bevestigen, De groep van Oganov voerde een experiment uit om de verbindingen te synthetiseren. Ze plaatsten een mengsel van calcium en koolstof in een zogenaamde diamanten aambeeldcel, een kamer waarin een materiaalmonster tussen twee diamanten wordt geperst. De drukken kunnen in zo'n kamer honderden GPa bereiken.

De wetenschappers registreerden de synthese van Ca2C3 bij drukken van meer dan 10 GPa en temperaturen in de buurt van 2000 K, terwijl Ca2C werd waargenomen wanneer de druk 22 GPa overschreed. Met behulp van synchrotronstraling, de groep kon het bestaan ​​van structuren bevestigen die ze theoretisch voorspelden.

"Het is mogelijk om praktische toepassingen te vinden voor deze ongebruikelijke stoffen, als ze in voldoende hoeveelheden worden gesynthetiseerd, ' zei Oganov.

Tweedimensionale carbiden met vrije elektronenklonten zijn unieke reductiemiddelen en kunnen worden gebruikt in de chemische industrie. Carbiden met drie of meer koolstofatomen kunnen worden gebruikt om ongebruikelijke koolwaterstoffen te synthetiseren, voegde Oganov toe.