Международный коллектив ученых из НИТУ «МИСиС», Университета Линчепинга (Швеция) и Университета Байрота (Германия) установил, что, вопреки привычным физико-химическим законам, у ряда материалов при сверхвысоких давлениях структура не уплотняется, а, наоборот, становится более пористой. Это показано на образцах осмия, гафния и вольфрама, помещенных в алмазную наковальню под давлением азота в миллион атмосфер.

Фундаментальное открытие коллектива описано в статье в Angewandte Chemie. Если очень сильно сжать карандашный грифель, то он превратится в алмаз — в детстве этот факт кажется чем-то из ряда вон выходящим. Но изучение химии и физики позволяет понять: никакого чуда нет, и углерод, из которого состоят и карандашный грифель, и алмаз, действительно становится в другую кристаллическую структуру под очень высоким давлением.

В целом, все логично — под давлением пустое пространство между атомами уменьшается, и материал становится плотнее; так можно было сказать о любом материале — до недавнего момента. Оказалось, что ряд материалов при приложении сверхвысокого давления может становиться пористым. К такому выводу пришел международный коллектив ученых из НИТУ «МИСиС», Университета Линчепинга (Швеция) и Университета Байрота (Германия).

В ходе исследования изучалось поведение трех интерметаллидов (гафния, вольфрама и осмия) при помещении их в алмазную наковальню под давлением в 1 миллион атмосфер, что соответствует давлению на глубине 2,5 тысяч километров под землей. При этом каждый раз к материалу подавался азот — ученые считают, что именно комбинация давления и газа повлияла на «расширение» кристаллической решетки.

«Сам по себе азот довольно инертен — без сверхвысокого давления он бы никак не прореагировал с интерметаллидами. Так же и материалы без азота под давлением бы просто сжались, — комментирует руководитель исследования со стороны НИТУ «МИСиС», заведующий лабораторией моделирования и разработки новых материалов, профессор Игорь Абрикосов. — Однако в совокупности получился удивительный результат: часть атомов азота формировала в материалах своеобразный армирующий каркас, позволяя кристаллической решетке расшириться, впуская внутрь дополнительные атомы азота».

Эксперимент вначале проводился физически – зарубежной частью научной команды – а затем его результаты подтверждались теоретическим моделированием на суперкомпьютерном кластере НИТУ «МИСиС». Ученые подчеркивают, что исследование носит фундаментальный характер – материалы с такими свойствами пока не создаются под конкретные задачи; на данный момент важен сам факт возможности получения ранее немыслимых модификаций.

Отдельной задачей является сохранение таких материалов при обычном атмосферном давлении. В одной из предыдущих работ ученым удалось добиться «выживания» особой модификации рения. Сейчас в качестве одного из способов стабилизации материалов рассматривается быстрое охлаждение при критически низких температурах.

Работа научного коллектива была отмечена редакторами журнала Angewandte Chemie как Hot Paper, а иллюстрация из статьи – помещена на обложку. С российской стороны исследование поддержано грантом Российского научного фонда.