В сотрудничестве с учеными из Цзилиньского университета в Китае группа исследователей из Сколтеха под руководством профессора Артема Оганова открыла уникальное соединение — гидрид стронция SrH22. Он содержит рекордное количество водорода и стабилен при давлениях 80–140 ГПа (около миллиона атмосфер). Полученное соединение содержит подвижные атомы водорода, способные переносить заряд.
«Охота» на полигидриды — соединения с высоким содержанием водорода — началась в 2015 году, когда группа ученых из Германии экспериментально доказала, что при давлении в 150 ГПа гидрид серы H2S превращается в новое соединение — тригидрид серы H3S, которое оказалось высокотемпературным сверхпроводником, теряющим электрическое сопротивление при рекордной для того времени температуре 203 кельвина (−70 градусов Цельсия). Это было довольно значительным повышением температуры по сравнению с уже известными сверхпроводниками.
«Конечная цель изучения этих „странных“ соединений — определить те, которые обладают сверхпроводимостью при близкой к комнатной температуре и по крайней мере при высоком, а еще лучше — при низком давлении. Некоторые из лучших известных на сегодняшний день высокотемпературных сверхпроводников, такие как YH6 и (La,Y)H10, были изучены в нашей лаборатории с использованием алгоритма USPEX», — рассказывает профессор Сколтеха Артем Оганов, создатель уникальной программы для предсказания кристаллических структур. Для любой комбинации химических элементов она определяет, какие их соединения стабильны и какие структуры они образуют.
В новой работе ученые обратились к стронцию, чтобы выяснить, может ли он образовывать стабильные полигидриды. Алгоритм USPEX теоретически предсказал, что стабильное соединение SrH22 должно существовать при давлениях 80–140 ГПа. Исследовательская группа профессоров Сяоли Хуана (Xiaoli Huang) и Тянь Цуя (Tian Cui) из Цзилиньского университета провела эксперимент по синтезу этого соединения, легируя молекулярный водород стронцием, то есть добавляя небольшое количество этого металла в качестве примеси. Чтобы подтвердить образование стабильного полигидрида стронция в эксперименте, ученые исследовали его кристаллическую решетку методом рентгеноструктурного анализа. Полученная картина полностью соответствовала кристаллической структуре SrH22.
«Эксперимент и теория дополняют друг друга. Экспериментальный подход, основанный на рентгеновской дифракции, не может определить пространственное расположение атомов водорода. Но теория может предсказать как их местоположение, так и динамику, заряд и проводящую способность. В нашем исследовании мы выяснили, что атомы стронция расположены высокоупорядоченно, а атомы водорода „размазаны“ в пространстве, постоянно движутся и в целом ведут себя скорее, как жидкость», — говорит аспирант Сколтеха, первый автор новой статьи, Дмитрий Семенок.
Экспериментально подтвержденный полигидрид стронция SrH22 — самое богатое водородом соединение, известное на сегодняшний день — состоит из молекул H2, распределенных вокруг высокоорганизованной подрешетки стронция. Причем высокая подвижность водорода делает SrH22 хорошим ионным проводником, открывая возможности его использования для электрохимических превращений при высоком давлении. Это позволит получать новые ценные полигидриды, которые невозможно синтезировать напрямую из металлов и водорода. Другим возможным применением сделанного открытия является дизайн новых соединений для водородных аккумуляторов.
«Можно представить, что у нас есть коробка с деталями Lego, мы копаемся в них и пытаемся выяснить, какие детали подойдут для наших задач. Мы выяснили, например, что элементы второй и третьей групп Периодической системы элементов наиболее благоприятны для образования высокотемпературных сверхпроводников. Стронций — как раз один из них, но сейчас мы видим, что в чистом виде он не совсем подходит.
Но гидриды стронция очень интересны с химической точки зрения и, возможно, если их легировать другими металлами с бо́льшим количеством электронов — иттрием, цирконием, титаном — можно будет получить высокотемпературную сверхпроводимость. Таким образом, мы изучили соответствующую „деталь Lego“ и поняли, что она сама по себе не подходит, но в сочетании с чем-то другим может сработать», — поясняет Оганов.