Vysoký tlak vytváří „nemožné“ krystaly

Berylium vstupuje pod vysokým tlakem šest namísto obvyklých čtyř svazků

Prvek berylium může nejen vytvořit čtyři vazby při vysokém tlaku, jak je obvyklé, ale pět a dokonce šest, jak ukazuje experiment. © DESY / Anna Pakhomova.
číst nahlas

Exotický krystal: Prvek berylium vstupuje pod vyšším tlakem více svazků, než je ve skutečnosti diktováno jeho elektronickou strukturou. Experiment ukazuje, že místo pouhých čtyř partnerů se atomy berýlia kombinují při 880 000násobném atmosférickém tlaku se šesti partnery. Vědci tak poskytli první důkaz o takových dalších vazbách v prvku druhé periody - odhalili nové možnosti pro exotické materiály.

Ve skutečnosti dokonce i pozice v periodické tabulce prvků odhaluje, které vazby prvek může vytvořit. Protože jeho elektronická struktura určuje, s jakými a kolika dalšími atomy prvek reaguje. V poslední době však vědci opakovaně objevili odlehlé hodnoty - prvky, které za určitých podmínek porušují závazná pravidla. Příkladem je „nemožný“ krystal hélia nebo vápník, který používá 18 místo pouhých osmi vazebných elektronů.

Více než čtyři není možné?

Nyní se ukazuje, že i lehký berylium kovů alkalických zemin může porušovat pravidla. Protože prvek má pouze dva vazebné elektrony a celkem pouze čtyři elektrony, v krystalech, jako jsou drahokamy smaragdu, akvamarinu nebo berylu, se většinou jedná pouze o dvojmocné vazby. V některých minerálech může být také kombinován se čtyřmi kyslíkovými ionty.

„Ale případy berylia v koordinaci s více než čtyřmi partnery nebyly u anorganických sloučenin experimentálně pozorovány, “ vysvětluje Anna Pakhomova z německého Electron Synchrotron (DESY) v Hamburku a její kolegové. „Nedávno však modelové studie předpověděly vznik BeO 6 oktaedry s iontovou vazbou Be-O při vysokých tlacích, “ uvedli vědci. Tyto exotické sloučeniny však nemohly být experimentálně prokázány.

Minerální berylium pod tlakem

Nyní však tento důkaz uspěl. Pakhomova a její tým studovali vzorky přirozeně se vyskytujících v zemské kůře minerálu Hurlbutit (CaBe 2 P 2 O 8 ). V tomto krystalu má každý atom berýlia čtyři atomy kyslíku jako sousedé za normálních okolních podmínek. Jak však vědci vystavili tento minerál stále vyšším tlakům, toto se změnilo, když byla odhalena rentgenová difrakční měření na rentgenovém zdroji PETRA II. zobrazit

K první změně dochází při 75 gigapascalech, což je asi 750 000násobek normálního atmosférického tlaku: „Polovina jednotek kationtového kyslíku podléhá při těchto tlacích geometrické deformaci, “ uvádějí výzkumných pracovníků. V tomto procesu se pátý atom kyslíku přiblíží k beryliu, až nakonec s ním vytvoří další vazbu. Výsledkem je mnohostěn BeO 5 se dvěma dlouhými a třemi krátkými vazbami.

Krystalová struktura Hurlbutite-IV a beryliových vazeb při 89, 5 Gigapascalech. H. Pakhomova et al / Nature Communications, CC-by-sa 4.0

Šest vazeb v krystalu

Ještě neobvyklejší se však děje při tlacích více než 88 gigapascalů. "Krystalová struktura prochází dalším fázovým přechodem, " říká Pakhomova a její tým. Krystalová struktura se mění tak, že atomy berylia jsou nyní spojeny se šesti kyslíkovými partnery. Čtyři z těchto vazeb leží v jedné rovině a jsou poměrně krátké, zbývající dvě vazby jsou na ni kolmé a jsou delší, jak ukazuje rentgenová analýza.

"Podle našich znalostí jsou tyto varianty Hurlbutitu první experimentálně ověřené příklady sloučenin s beryliem ve vyšší koordinaci než čtyři, " poznamenají vědci. „Navíc se zdá, že se jedná o první strukturální zprávu o prvku druhého období, která ukazuje takové zvýšení koordinačních čísel.“ Dříve bylo diskutabilní, zda by pro takovou změnu bylo třeba či nepřijmout d orbitál. tig je elektronový orbitál, který nemá berylium.

Vzrušující pro materiálový výzkum

Podle vědců tento důkaz ukazuje, že chemické chování prvků může být více zaměnitelné, než se předpokládá běžně. „Nové krystaly nám ukazují, že normální podmínky na zemském povrchu nevedou k nevyvratitelným chemickým jistotám, “ říká spoluautor Leonid Dubrovinsky z University of Bayreuth. "Extrémní podmínky a vzácné jevy, které můžeme v laboratoři vytvářet a pozorovat pouze pomocí špičkových technologií, jsou na mnoha místech ve vesmíru normální."

I když neexistují praktické aplikace exotických krystalů berýlia, otevírají nové cesty ve vědě o materiálech, jak vysvětlují vědci. Protože potvrzují, že vysokotlaké experimenty jsou slibným nástrojem pro dávkování nových chemických vlastností. (Nature Communications, 2019; doi: 10, 1038 / s41467-019-10589-z)

Zdroj: University of Bayreuth

- Nadja Podbregar