В сотрудничестве с учеными из Цзилиньского университета в Китае группа исследователей из Сколтеха под руководством профессора Артема Оганова открыла уникальное соединение — гидрид стронция SrH₂₂. Он содержит рекордное количество водорода и стабилен при давлениях 80–140 ГПа (около миллиона атмосфер). Полученное соединение содержит подвижные атомы водорода, способные переносить заряд.

«Охота» на полигидриды — соединения с высоким содержанием водорода — началась в 2015 году, когда группа ученых из Германии экспериментально доказала, что при давлении в 150 ГПа гидрид серы H₂S превращается в новое соединение — тригидрид серы H₃S, которое оказалось высокотемпературным сверхпроводником, теряющим электрическое сопротивление при рекордной для того времени температуре 203 кельвина (−70 градусов Цельсия). Это было довольно значительным повышением температуры по сравнению с уже известными сверхпроводниками.

«Конечная цель изучения этих „странных“ соединений — определить те, которые обладают сверхпроводимостью при близкой к комнатной температуре и по крайней мере при высоком, а еще лучше — при низком давлении. Некоторые из лучших известных на сегодняшний день высокотемпературных сверхпроводников, такие как YH₆ и (La,Y)H₁₀, были изучены в нашей лаборатории с использованием алгоритма USPEX», — рассказывает профессор Сколтеха Артем Оганов, создатель уникальной программы для предсказания кристаллических структур. Для любой комбинации химических элементов она определяет, какие их соединения стабильны и какие структуры они образуют.

В новой работе ученые обратились к стронцию, чтобы выяснить, может ли он образовывать стабильные полигидриды.

Алгоритм USPEX теоретически предсказал, что стабильное соединение SrH₂₂ должно существовать при давлениях 80–140 ГПа. Исследовательская группа профессоров Сяоли Хуана (Xiaoli Huang) и Тянь Цуя (Tian Cui) из Цзилиньского университета провела эксперимент по синтезу этого соединения, легируя молекулярный водород стронцием, то есть добавляя небольшое количество этого металла в качестве примеси. Чтобы подтвердить образование стабильного полигидрида стронция в эксперименте, ученые исследовали его кристаллическую решетку методом рентгеноструктурного анализа. Полученная картина полностью соответствовала кристаллической структуре SrH₂₂.

Схематичное представление эксперимента: под давлением 100 ГПа смесь стронция и молекул водорода превращается в стабильное соединение SrH22 / ©Ухао Чень / Цзилиньский университет

«Эксперимент и теория дополняют друг друга. Экспериментальный подход, основанный на рентгеновской дифракции, не может определить пространственное расположение атомов водорода. Но теория может предсказать как их местоположение, так и динамику, заряд и проводящую способность. В нашем исследовании мы выяснили, что атомы стронция расположены высокоупорядоченно, а атомы водорода „размазаны“ в пространстве, постоянно движутся и в целом ведут себя скорее, как жидкость», — говорит аспирант Сколтеха, первый автор новой статьи, Дмитрий Семенок.

Экспериментально подтвержденный полигидрид стронция SrH₂₂ — самое богатое водородом соединение, известное на сегодняшний день — состоит из молекул H₂, распределенных вокруг высокоорганизованной подрешетки стронция. Причем высокая подвижность водорода делает SrH₂₂ хорошим ионным проводником, открывая возможности его использования для электрохимических превращений при высоком давлении. Это позволит получать новые ценные полигидриды, которые невозможно синтезировать напрямую из металлов и водорода. Другим возможным применением сделанного открытия является дизайн новых соединений для водородных аккумуляторов.

«Можно представить, что у нас есть коробка с деталями Lego, мы копаемся в них и пытаемся выяснить, какие детали подойдут для наших задач. Мы выяснили, например, что элементы второй и третьей групп Периодической системы элементов наиболее благоприятны для образования высокотемпературных сверхпроводников. Стронций — как раз один из них, но сейчас мы видим, что в чистом виде он не совсем подходит.

Но гидриды стронция очень интересны с химической точки зрения и, возможно, если их легировать другими металлами с бо́льшим количеством электронов — иттрием, цирконием, титаном — можно будет получить высокотемпературную сверхпроводимость. Таким образом, мы изучили соответствующую „деталь Lego“ и поняли, что она сама по себе не подходит, но в сочетании с чем-то другим может сработать», — поясняет Оганов.