Карбид кальция (CaC2) – не редкое химическое соединение: возможно, вы встречали эти небольшие белые камни, из которых производят ацетилен для газовой сварки и удобрения. Существует также более экзотическая форма соединения кальция и углерода, гексакарбид кальция (CaC6), который становится сверхпроводником при относительно высоких температурах 11 ° C.5 Кельвинов.
Группа Оганова обнаружила, что разнообразие соединений углерода и кальция не ограничивается этими двумя веществами.
Используя компьютерное моделирование, они обнаружили, что по крайней мере пять других карбидов могут существовать при определенных условиях.
Ученые специализируются на поиске соединений, которые кажутся невозможными, поскольку их существование противоречит известным химическим законам. Используя алгоритм моделирования химического состава USPEX, разработанный профессором Огановым, они предсказали существование «нестандартных» солей натрия и хлора, NaCl3, NaCl7, Na3Cl2, Na2Cl и Na3Cl, которые нарушают законы химии, а затем получили эти соединения в ходе экспериментов. Они также обнаружили несколько «нестандартных» оксидов алюминия, оксидов магния и других веществ.
Соединения кальция и углерода привлекли внимание группы, потому что структурные и электронные свойства обоих элементов сильно различаются при разных давлениях. В частности, при давлении 216 ГПа кальций показывает самую высокую температуру сверхпроводящего перехода (29 К) среди чистых элементов.
Используя симулятор USPEX, ученые проанализировали свойства всех возможных карбидов, которые могут быть синтезированы при давлении от нормального до 100 ГПа, и обнаружили пять возможных веществ: Ca5C2, Ca2C, Ca3C2, CaC и Ca2C3.
Их расчеты показали, что Ca2C3 остается стабильным при давлениях ниже 28 ГПа, Ca5C2 – при давлениях выше 58 ГПа, Ca2C – выше 14 ГПа, Ca3C2 – выше 50 ГПа, CaC – выше 26 ГПа, а CaC2 – выше 21 ГПа. Кристаллические решетки этих соединений содержат углеродные структуры, формы которых варьируются от гантелей до поясов и слоев, состоящих из шестиугольников.
Ca2C оказался наиболее своеобразным соединением. Как и графен, он имеет структуру и свойства двумерного металла.
Графен – это углеродный материал, синтез которого принес Андре Гейму и Константину Новоселову Нобелевскую премию 2010 года. Но в отличие от графена, в Ca2C электрический ток проходит по слоям атомов кальция, а не атомов углерода, и в слоях кальция есть сгустки свободных электронов.
Чтобы подтвердить свои теоретические предсказания, группа Оганова провела эксперимент по синтезу соединений. Они поместили смесь кальция и углерода в так называемую ячейку с алмазной наковальней, камеру, в которой образец материала сжимается между двумя алмазами.
В такой камере давление может достигать сотен ГПа.
Ученые зарегистрировали синтез Ca2C3 при давлениях выше 10 ГПа и температурах около 2000 К, а Ca2C наблюдали при давлениях выше 22 ГПа. Используя синхротронное излучение, группа смогла подтвердить существование структур, которые они предсказали теоретически.
«Эти необычные вещества могут найти практическое применение, если они будут синтезированы в достаточных количествах», – сказал Оганов.
Двумерные карбиды со сгустками свободных электронов являются уникальными восстановителями и могут быть использованы в химической промышленности. Карбиды с тремя и более атомами углерода могут быть использованы для синтеза необычных углеводородов, добавил Оганов.