Практически все обычные материалы сокращаются в размерах, когда на них со всех сторон равномерно оказывается давление. Но ученые создали синтетические кристаллы, состоящие из соединения золота, цинка и цианида, которые демонстрируют парадоксальную реакцию на внешнее давление, вместо того, чтобы сокращаться, они увеличиваются в размерах.

Такое удивительное явление происходит за счет наличия в шестигранной решетке кристалла спиралевидной структуры из атомов золота, своего рода пружины, которая сжимается под давлением и увеличивает длину кристалла на целых 10 процентов, что можно увидеть даже невооруженным глазом, рассматривая кристаллы сравнительно большого размера.

«Увидев впервые этот эффект мы были озадачены величиной его проявления. Но после тщательного изучения структуры кристаллической решетки этого материала мы заметили крошечные спирали из атомов» – рассказывает Эндрю Гудвин (Andrew Goodwin), ученый-химик из Оксфордского университета, – «Эти атомарные пружины поглощают энергию давления и искажают исходную форму кристаллической решетки, увеличивая ее размеры».

Рис. 1.

До последнего момента времени простые материалы, которые увеличиваются в размерах под давлением, были неизвестны науке. Но в природе существуют достаточно сложные биологические материалы, обладающие такими свойствами, их можно найти в некоторых видах мышечных тканей, к примеру, в мышцах хобота слона, в мышцах осьминогов и кальмаров, которые позволяют им двигаться в воде, выбрасывая реактивную струю.

И только в последние годы ученые начали пробовать создавать в своих лабораториях материалы, которые изменяют свою кристаллическую структуру под влиянием давления, а не разрушаются при этом.

Для того, чтобы получить такой «чудесный» кристалл, ученые смешали в определенной пропорции растворы двух солей цианида, одна соль содержала атомы золота, вторая – цинка. Когда были выдержаны необходимые химические и физические условия, эти соли образовали прозрачный кристалл вещества, называемого дицианоауратом цинка. Кристаллическая структура этого вещества напоминает решетку из шестиугольников, в вершинах которых находятся атомы цинка, а между цианидными основаниями (атомом углерода, связанным с атомом азота) располагаются атомы золота. Эти шестиугольники, соединенные друг с другом в объемную решетку, формирую нечто вроде спиралевидной пружины, способной поглощать энергию давления.

Рис. 2.

Для проверки реакции кристалла на внешнее давление ученые использовали алмазную наковальню, устройство, которое сжимает испытуемый образец между гранями двух алмазов. Когда ученые начали увеличивать давление, воздействующее на кристалл, кристалл начал увеличиваться в размерах.

При давлении в 1 ГПа, при котором большинство материалов теряет 2–3 процента от своих нормальных размеров, кристалл дицианоаурата цинка увеличился в размерах на 5 процентов. А при давлении в 10 ГПа, что в 100 раз превышает давление воды на дне Марианской впадины, кристаллы увеличились в размерах на 10 процентов и продолжали расти дальше при увеличении давления.

«То, что повергло нас в состояние крайнего изумления – это величина реакции кристалла на давление» – рассказывает Гудвин, – «А нас сложно удивить подобным, ведь мы не новички в этом деле, мы проектировали подобные экзотические материалы в течение нескольких последних лет, включая материалы, которые расширяются при давлении и материалы, которые сжимаются при повышении температуры».

Рис. 3.

Несмотря на столь странное и экзотическое поведение кристаллов дицианоаурата цинка, у этого нового материала имеется достаточно широкий ряд возможных областей применения.

Эти кристаллы могут быть использованы для управления отклонением и преломлением лучей света в оптических и фотонных системах, а датчики давления, созданные на их базе, позволят измерять сверхвысокие давления с точностью, на порядки превышающей точность существующих современных датчиков.