Международная команда ученых впервые и совершенно случайно получила твердый бинарный гидрид золота — соединение, состоящее исключительно из атомов золота и водорода.
Открытие, описанное в журнале Angewandte Chemie International Edition, совершено на Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах XFEL. Изначальной целью эксперимента было изучение превращения углеводородов в алмазы под действием экстремально высокого давления и температуры. Золотая фольга в этих опытах использовалась в качестве вспомогательного материала — для поглощения рентгена и нагрева образцов. К удивлению экспериментаторов, помимо алмазов, в продуктах реакции они обнаружили формирование гидрида золота.
«Это было неожиданно, потому что золото обычно химически инертно и малоактивно — именно поэтому мы используем его как поглотитель рентгеновского излучения в таких экспериментах. Эти результаты указывают на то, что в экстремальных условиях, где влияние температуры и давления начинает конкурировать с традиционной химией, могут образовываться необычные соединения, открывая новые направления для исследований», — рассказал ведущий автор исследования Манго Фрост из американской Национальной ускорительной лаборатории SLAC.
Изучение плотного водорода
Образцы углеводородов сначала сжали с помощью алмазной наковальни до давления, превышающего давление в мантии Земли. Затем их нагрели до температуры свыше 1900 °C, облучая импульсами рентгеновского лазера. Исследователи записали и проанализировали рассеяние рентгеновских лучей на образцах, чтобы отследить структурные изменения.
Как и ожидалось, данные рассеяния подтвердили образование алмазов из углерода. Однако ученые также зафиксировали неожиданные сигналы, свидетельствующие о реакции водорода с золотой фольгой и образовании гидрида золота.
В экстремальных условиях водород перешел в плотное «суперионное» состояние, при котором его атомы свободно перемещались внутри жесткой кристаллической решетки золота, увеличивая электропроводность гидрида.
Водород — самый легкий элемент таблицы Менделеева — сложно изучать с помощью рентгеновских лучей, поскольку он слабо их рассеивает. Однако в данном случае суперионный водород взаимодействовал с гораздо более тяжелыми атомами золота, и команда смогла наблюдать его влияние на рассеяние рентгеновских лучей золотой решеткой.
«Мы использовали решетку золота как индикатор поведения водорода», — пояснил Фрост.
Гидрид золота предоставляет новый способ изучения плотного атомарного водорода в условиях, которые могут существовать в других, пока недоступных для эксперимента, средах. Например, плотный водород составляет внутренние слои некоторых планет, поэтому его исследование в лаборатории может расширить наши знания об этих далеких мирах. Это также может углубить понимание процессов в звездах, подобных Солнцу, и помочь в приручении термоядерного синтеза для выработки энергии на Земле.
Исследование новой химии
Помимо изучения плотного водорода, работа открывает возможности для исследования новых химических процессов. Образовавшийся при экстремальных давлении и температуре гидрид оказался устойчивым только в таких условиях — при охлаждении золото и водород разделялись. Моделирование также показало, что при более высоком давлении в решетке золота может размещаться больше водорода.
Метод моделирования может быть применен и к другим соединениям. «Важно, что мы можем экспериментально создавать и моделировать такие состояния в экстремальных условиях. Эти инструменты помогут изучать свойства других экзотических материалов в экстремальных средах», — резюмировал профессор Зигфрид Гленцер из SLAC, руководивший исследованием.
Физики нагрели золото в 14 раз выше температуры плавления — и оно осталось твердым
Физики научились выращивать в лаборатории сверхтвердые гексагональные алмазы
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram