Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Ученые наконец-то раскусили крепкий орешек, над которым наука билась полвека. Речь идет о твердом азоте и его самой загадочной ипостаси — фазе γ-N2.
Мы привыкли видеть азот в виде газа, ведь он составляет львиную долю воздуха вокруг нас. Но стоит загнать этот газ под колоссальный пресс и хорошенько охладить, как привычные законы химии начинают давать сбой. Азот превращается в твердый кристалл с невероятно хитрым внутренним устройством. И вот эта самая фаза γ-N2 больше 50 лет водила ученых за нос. Десятки экспериментов, горы теоретических выкладок, а ясности не прибавлялось.
Теперь же китайские специалисты поставили точку в этом споре. Они накопали железные доказательства того, что внутри этого кристалла царит строгий моноклинный порядок P21/c. В каждой элементарной ячейке сидят ровно две молекулы азота.
Эта находка блестяще подтвердила старые догадки теоретиков. Выяснилось еще кое-что интересное: этот самый γ-N2 чувствует себя хозяином на гораздо более широком поле температур и давлений, чем мы думали раньше.
Как говорят сами исследователи, поймать эту структуру за хвост было задачей не из легких. Главная беда заключалась в том, что вырастить чистый, ровный монокристалл этой фазы практически нереально. Вместо красивых прозрачных камней лаборатория обычно получает серую труху сомнительного качества. А работать с таким порошком — то еще удовольствие, точность анализа падает ниже плинтуса.
Чтобы вытащить истину из-под земли, ученые решили ударить по проблеме сразу со всех сторон. Они собрали настоящий физический комбайн: синхротронную рентгеновскую дифракцию для заглядывания внутрь решетки, рамановскую спектроскопию, инфракрасную спектроскопию и мощные вычисления на базе теории функционала плотности. Когда все эти методы начали выдавать один и тот же результат, команде удалось безошибочно отсеять ложные модели строения кристалла и доказать правоту именно структуры P21/c.
Кстати, про рамановский метод стоит сказать отдельно. Раньше приборы упрямо показывали лишний колебательный сигнал. Он никак не вписывался в теорию и заставлял исследователей чесать затылки. Казалось, там прячется какая-то другая, неизвестная структура атомов. Но свежий взгляд показал иную картину. Этот странный пик оказался связан вовсе не с геометрией кристалла, а с редким гостем — тяжелым изотопом азота-15.
Под давлением их слабая дрожь начинала нагонять сильную вибрацию обычных молекул N-14. В итоге два сигнала сталкивались лбами и сливались воедино. Ученые дали этому явлению красивое имя — ферми-подобный резонанс.
Помимо этого, команда сделала еще одно важное наблюдение. Оказывается, наш герой γ-N2 состоит в очень близком родстве с другой твердой фазой — θ-N2. У них почти идентичные спектры комбинационного рассеяния и схожее расположение молекул. При этом рождаются они в абсолютно разных условиях: один требует одного пресса и печки, другой — совершенно иных цифр на манометрах и термометре.
Зачем вообще ломать копья ради какого-то замороженного газа? Все просто. Твердый азот при низких температурах и умеренном давлении — это базовый кирпичик, из которого сложены окраины нашей Солнечной системы. Поняв, как ведет себя этот лед, мы сможем точнее предсказать состав и историю эволюции далеких небесных тел. Это знание меняет наше представление о том, как устроены планеты-гиганты и их спутники.
А теперь давайте быстро пробежимся по инструментам, которые помогли совершить этот прорыв, чтобы вы понимали, какой мощью обладает современная лаборатория:
Справка. Синхротронная рентгеновская дифракция. Если говорить простым языком, это рентген на максималках. Обычная больничная установка тут бессильна, поэтому физики берут пучок света чудовищной яркости прямо из ускорителя-синхротрона. Такой луч прошивает вещество насквозь и позволяет прочитать чертежи самых сложных молекул вплоть до последнего атома.
Рамановская спектроскопия. Тут работает чистая оптика. Сквозь образец пропускают лазерный луч. Свет врезается в молекулы, отскакивает от них и при этом теряет часть энергии или, наоборот, прихватывает лишнюю. Частота света меняется. По этим крошечным сдвигам частоты умные приборы восстанавливают полную карту связей между атомами. Это лучший способ понять, кто с кем держится за руки внутри кристалла.
Инфракрасная спектроскопия. Работает по похожему принципу, но прощупывает другие типы движений молекул. Там, где рентген дает общую форму здания, ИК-спектр показывает, как в нем вибрируют полы и стены. Использование этих методов в связке дало ту самую избыточность данных, которая убила любые сомнения скептиков.
Сама история изучения твердого азота напоминает детективное расследование, которое затянулось на десятилетия. Еще в семидесятых годах прошлого века, когда только появились первые сверхмощные прессы, ученые начали сжимать жидкий азот.
Они ожидали увидеть простой плотный лед, а получили целую россыпь фаз, каждая из которых вела себя непредсказуемо. Фаза γ всегда была самым темным пятном на этой карте. Ее удавалось зафиксировать лишь на короткое мгновение, снимки получались размытыми, а расчеты давали три-четыре варианта внутреннего устройства одновременно.
Китайской группе пришлось проявить настоящее инженерное упорство. Чтобы победить проблему плохого порошка, они ювелирно настраивали скорость охлаждения образца. Малейшая ошибка — и вместо нужного моноклинного монстра вырастал его сосед по диаграмме состояний.
Им приходилось буквально ловить нужный момент перехода, работая на границе стабильности вещества. Каждый запуск установки на синхротроне стоил огромных денег и времени ожидания в очереди, так что права на ошибку у команды просто не было.
Выявление роли изотопа азота-15 тоже стало счастливой случайностью, помноженной на дотошность. Обычно природную смесь изотопов никто детально не учитывает в таких экспериментах, списывая погрешности на шум приборов. Но здесь разница в массах сыграла решающую роль.
Представьте себе хор, где один певец вдруг начинает тянуть ноту чуть медленнее остальных. Сначала диссонанса нет, но по мере нарастания темпа музыки голоса неизбежно сталкиваются. Именно этот акустический эффект в мире атомов и помог окончательно подтвердить правильность выбранной пространственной группы симметрии.
Открытие связи между γ-N2 и θ-N2 открывает двери для создания новых материалов. Если две такие разные по условиям рождения фазы имеют общее структурное ядро, значит, можно попробовать создать переходные состояния с уникальными свойствами.
Кто знает, возможно, через десяток лет на основе этих знаний появятся новые виды энергоемкого топлива или уникальные конструкционные материалы для экстремальных условий. Полувековая тайна пала, но она оставила после себя целое направление для будущих исследований. Наука снова доказала, что даже в самом обычном воздухе, который мы выдыхаем каждый день, скрыта целая вселенная удивительных превращений.
Поделись видео:
