Исследовательская группа из Байройтского университета вместе с международными партнерами, включая ученых с химического факультета Кельнского университета, раздвинула границы исследований высоких давлений и высоких температур до космических масштабов. Им впервые удалось создать и одновременно проанализировать материалы при давлении сжатия более одного терапаскаля (1000 гигапаскалей, или аналогичное количество атмосфер Земли). Такие чрезвычайно высокие давления встречаются, например, в центре планеты Уран. Эта сила более чем в три раза превышает давление в центре Земли! В журнале Nature исследователи представляют разработанный ими метод синтеза и структурного анализа новых материалов.
Теоретические модели предсказывают очень необычные структуры и свойства материалов в условиях экстремального давления и температуры. Но пока эти предсказания не удалось проверить в экспериментах при давлениях сжатия более 200 гигапаскалей. С одной стороны, чтобы подвергать образцы материалов такому экстремальному давлению, необходимы сложные технические требования, а с другой стороны, отсутствовали сложные методы одновременного структурного анализа. Опубликованные в Nature эксперименты, открывают совершенно новые измерения для кристаллографии высокого давления: теперь в лаборатории можно создавать и изучать материалы, которые существуют — если вообще существуют — только при экстремально высоких давлениях на просторах Вселенной.
Разработанный учеными метод позволяет впервые синтезировать новые структуры материалов в терапаскалевом диапазоне и анализировать их на месте, то есть: пока эксперимент еще продолжается. Таким образом, мы узнаем о неизвестных ранее состояниях, свойствах и структурах кристаллов и можем значительно углубить наше понимание материи в целом. Можно получить ценную информацию для исследования планет земной группы и синтеза функциональных материалов, используемых в инновационных технологиях.
В своем исследовании авторы показывают, как они создали и визуализировали in situ (на месте, лат.) новые соединения рения, используя разработанный метод. Рассматриваемые соединения представляют собой новый нитрид рения (Re7N3) и сплав рения с азотом. Эти материалы были синтезированы при экстремальных давлениях в двухступенчатой ячейке с алмазными наковальнями, нагреваемой лазерными лучами. Синхротронная монокристаллическая рентгеновская дифракция позволила получить полную химическую и структурную характеристику.
Система рений-азот полна химических сюрпризов. Это привлекло внимание научной группы несколько лет назад, когда мы изготовили необычный пористый компаунд ReN 10 при давлении в один миллион атмосфер, а также сверхтвердый металлический проводник ReN 2, выдерживающий даже очень сильное сжатие. Синтез на одном терапаскале наконец-то позволил нам получить полную картину химических превращений, которые могут происходить в системе Re-N в экстремальных условиях.
Открытие новой технологии позволит развивать её, и не за горами открытие новых материалов и необычных свойств, которые многое расскажут о космосе, и могут дать новый толчок к созданию необычных материалов.