Экспериментаторы и теоретики из нескольких стран сначала предсказали, а затем получили и объяснили необычную кристаллическую модификацию натрия, которая формируется только при очень сильном сжатии. О своей работе они рассказали в статье, которая 12 марта появилась в журнале Nature.
Как выглядит натрий, все мы узнаем на уроках химии в средней школе. Это мягкий и пластичный серебристо-белый металл, тонкие слои которого имеют фиолетовый оттенок. Свежий срез натрия красиво блестит, но быстро темнеет, поскольку на воздухе натрий покрывается окисной пленкой. Поэтому натрий приходится хранить в сосудах с керосином или минеральным маслом. По той же причине на Земле он в свободном состоянии не встречается, однако присутствует в виде многочисленных соединений. Наверное, самое известное из них – это поваренная соль, хлористый натрий.
Ядро атома натрия окружено 11 электронами, распределенными по трем слоям. Внутренняя оболочка содержит пару электронов, промежуточная – восемь, внешняя – только один. С ним атом натрия расстается без всяких затруднений, а потому легко вступает в соединение с кислородом (иначе говоря, окисляется) и многими другими элементами. Поскольку в кристалле натрия внешние электроны переходят в коллективное пользование, он хорошо проводит тепло и электрический ток и вообще является типичным металлом. Как и положено уважающему себя металлу, он оптически непрозрачен.
Физики уже давно обнаружили, что этот элемент весьма своеобразно реагирует на сильное сжатие. Многие твердые вещества в такой ситуации переходят в жидкую фазу при более высоких температурах, нежели при атмосферном давлении. Натрий тоже подчиняется этому правилу, но только до поры до времени. Кристаллический натрий в обычных условиях плавится примерно при 98 градусах Цельсия. При сжатии до 300 тысяч атмосфер его температура плавления зашкаливает за 800 градусов, однако затем начинает падать и под давлением в 1,2 миллиона атмосфер доходит до комнатной температуры (причины этого эффекта пока непонятны). В физической литературе даже высказывались предположения, что жидкий натрий в экстремальных условиях может обрести сверхпроводимость или сверхтекучесть.
Теперь исследователи из Соединенных Штатов, КНР, Германии и России обнаружили еще один натриевый сюрприз. Оказалось, что при очень высоких давлениях натрий теряет металлические свойства и превращается в диэлектрик. При этом он сначала чернеет (для этого его надо сдавить до полутора миллионов атмосфер), а затем, при приближении к двум миллионам атмосфер, краснеет и начинает пропускать свет. Расчеты показывают, что под давлением в 3,2 миллиона атмосфер натрий должен выглядеть подобно обычному бесцветному стеклу.
Как было сделано это открытие и чем оно объясняется? О этом нашей редакции рассказал один из авторов статьи в журнале Nature Артем Оганов, профессор кристаллографии университета штата Нью-Йорк в Стони Брук.
А.О.: Все началось с визита китайского физика Янминга Ма, который приехал к нам в университет в 2005 году. Он присоединился к моей группе, чтобы изучить разработанные мною методы квантовомеханического предсказания кристаллических структур. Интересно, что к тому времени он был полным профессором Гиринского университета, но у нас удовольствовался просто временной двухлетней должностью постдока.
Гость, а теперь уже и друг из КНР прекрасно освоил наши методики и теоретически изучил поведение многих элементов под высоким давлением. На основе этих вычислений он пришел к заключению, что натрий при высоких давлениях должен приобретать очень странную структуру и из проводника превращаться в изолятор, причем прозрачный. К тому времени уже было известно, что натрий при сильном сжатии демонстрирует много аномалий, но предсказания Ма даже на этом фоне выглядели очень странно.
Математика есть математика, с ней не поспоришь. Мы с Янмингом Ма создали химическую картину этого явления, оформили вычисления в статью и послали ее в Nature. Однако редактор рукопись завернула. Она сказала, что сумасшедшие предсказания делать нетрудно, но надо доказать, что они подтверждаются в лаборатории. Тогда мы нашли экспериментатора, нашего соотечественника Михаила Еремца.
Это очень крупный специалст в области физики высоких давлений, сейчас он работает в Майнце, в Химическом институте общества Макса Планка. Он вместе с коллегами приготовил чрезвычайно качественные образцы натрия и сжал их в алмазном прессе до сверхвысоких давлений. Уже в первой серии экспериментов выяснилось, что натрий ведет себя в полном соответствии с нашими предсказаниями. Группе Еремца удалось дойти до двух миллионов атмосфер, и тогда натрий действительно покраснел и стал пропускать свет. После этого мы сделали с ними совместную статью, которая теперь и публикуется в Nature.
А.Л.: Артем, но почему же все-таки натрий делается диэлектриком?
А.О.: В этом и состоит изюминка. Диэлектрики при сильном сжатии часто приобретают металлические свойства, это вполне обычная вещь. Причина понятна – при сближении атомов кристаллической решетки электроны легче объединяются и обретают повышенную подвижность. Отсюда вроде бы следует, что металл при сжатии уж точно должен оставаться металлом.
А вот для натрия эти рассуждения не проходят. Оказалось, что когда его атомы сближаются примерно в пять раз по сравнению с нормой, внешние электроны собираются в сгустки, которые локализуются в определенных местах внутри решетки. В результате атомы превращаются в положительные ионы, между которыми располагаются отрицательно заряженные облачка из спаренных электронов. Эти электроны локализованы, проще говоря, привязаны к своим местам. Поэтому они не могут свободно перемещаться и, следовательно, оказываются не в состоянии проводить электрический ток. Так и получается, что натрий делается диэлектриком.
А.Л.: Скажите, Артем, этот результат может выйти за
пределы собственно кристаллографии?
А.О.: Я думаю, что он имееет все шансы заинтересовать планетологов. Диэлектрические состояния, которые мы описали, в принципе могут возникать в недрах гигантских планет, где господствуют фантастические давления. Думаю, что их удастся детектировать с помощью магнитных измерений.
А.Л.: Ну, это, конечно,
задача на будущее. А пока спасибо за беседу.
В заключение стоит кое-что
добавить. Полтора года назад, в сентябре 2007 года, физики из
Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса сообщили, что в
сильно сжатом жидком натрии могут возникать внутренние пустоты, которые
служат ловушками для электронов. А вот теперь выяснилось, что подобные
зоны электронного пленения появляются и в натриевых кристаллах. В самом
деле, это очень любопытный элемент.
