Физики из Британии открыли новую форму "кристаллического" азота
Сжатие азота до сверхвысоких давлений превращает его в твердый кристаллический материал с уникальными свойствами, имеющий крайне сложную структуру. Первые атомные фотографии "твердого азота" были опубликованы в журнале Nature Communications.
"Мы надеемся, что наши опыты привлекут внимание других ученых, которые тоже начнут изучать то, почему относительно простые химические элементы могут формировать столь сложные структуры. Раскрытие этой тайны, в свою очередь, проложит дорогу для поисков еще более интересных кристаллов", - рассказывает Робин Тернбуль (Robin Turnbull) из Эдинбургского университета (Шотландия).
Лед и пламя
Почти все элементы и химические соединения, существующие во Вселенной, могут принимать четыре разных агрегатных формы материи - превращаться в твердое тело, жидкость, газ и плазму. Эти превращения, так называемые фазовые переходы, уже много столетий изучаются физиками, и пока ученые не могут уверенно сказать, что они полностью понимают все подобные процессы.
Многие твердые вещества, как достаточно давно знают ученые, могут радикально менять свою структуру и манеру распределения атомов по их толще при изменении давления. Подобные сдвиги в устройстве кристаллической решетки заметно меняют их плотность и многие другие физические свойства, на чем, к примеру, базируется работа "запала" плутониевых ядерных бомб.
Тернбуль и его коллеги раскрыли тайны одной из подобных форм замороженного азота, проводя опыты на ускорителе частиц ESRF, который был совместно построен Россией и странами ЕС во французском Гренобле.
Эта разновидность азота, как и несколько других "твердых сортов" этого газа, были экспериментально открыты еще в 2002 году группой американских физиков под руководством Евгения Григорянца и Александра Гончарова, работавших в то время в Институте науки Карнеги в Вашингтоне.
Как они тогда обнаружили, сжатие азота до давления, превышающего атмосферное примерно в 500 тысяч раз, а также нагрев его до температуры в 500-700 градусов Цельсия, превращает этот газ в необычное кристаллическое вещество желтого цвета, получившее имя йота-азот.
Невозможный кристалл
У него, как показали дальнейшие опыты российских и американских физиков, был целый ряд необычных свойств. К примеру, этот "твердый азот" был стабильным в очень широком диапазоне температур и давлений, заметно меньших или больших чем те, которые необходимы для его создания. Почему это так, ученые не знали, так как у них не было возможности изучить структуру йота-азота из-за его сверхвысокой плотности.
Тернбуль и его коллеги, в том числе сам Григорянц, заполнили этот пробел, установив алмазную наковальню, способную сжимать азот до нужных давлений, на пути пучка рентгеновских лучей, вырабатываемых ESRF. "Просвечивая" азот во время сжатия, ученые смогли увидеть, как его молекулы становятся частью кристалла йота-азота, и выяснить, из каких "стройблоков" он состоит.
Оказалось, что эта твердая форма азота имела неожиданно сложную структуру - его "стройблок" состоит из 48 молекул азота, организованных в пространстве в виде сложного набора линий и особых кольцеобразных узоров. Как отмечают ученые, ни одно другое простое вещество, чьи молекулы состоят из двух атомов, не имеет столь больших и густо "населенных" кристаллов.
Это открытие, по словам Тернбуля, особенно интересно по той причине, что раньше ученые считали, что большое разнообразие форм урана, плутония и других металлов было связано с тем, как их электроны могли "перепрыгивать" с одного типа орбиталей на другие.
В молекулах азота все орбитали заняты, из-за чего подобные переходы в них в принципе не могут происходить. Тем не менее, йота-азот существует, что заставляет ученых задуматься о том, что заставляет молекулы и атомы в кристаллах выстраиваться в разные фигуры и как этим процессом можно управлять.
