Ученые из НИТУ «МИСиС», СПбГУ, Байройтского университета и Немецкого электронного синхротрона (DESY) создали оксид бериллия, в котором атом металла оказывается окружен пятью или шестью атомами кислорода. Ранее считалось, что максимально возможным числом может быть только четыре.

Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.

Из-за взаимного отталкивания и достаточно большой разности размеров составляющих оксид бериллия элементов существует предел количества соседствующих между собой атомов. Решением этой проблемы — преодолением «невозможности» — и занимаются ученые. Как показали результаты их совместных исследований — лабораторного эксперимента и его теоретического моделирования — получение «невозможных» модификаций материалов вполне возможно. Для этого необходимо подвергнуть их сверхвысоким давлениям, в сотни тысяч раз превышающим атмосферное.

«Мы работали с херлбутитом — одной из форм соединения бериллия с химической формулой CaBe₂P₂O₈. В классических условиях он имеет тетраэдральную структуру — бериллий формирует четырехгранные пирамиды с атомами кислорода, и до недавних пор считалось, что это максимально возможная координация берилия. Однако наши коллеги из Германии провели эксперимент, в результате которого выяснилось, что кристаллическая структура может перестраиваться. В ходе эксперимента материал помещался в алмазную наковальню, где подвергался воздействию сверхвысоких давлений. Так, при давлении в 17 ГПа (170 тыс. земных атмосфер) произошло увеличение числа атомов кислорода, окружающих бериллий, до пяти, а при давлении в 80 ГПа (800 тыс. земных атмосфер) кристалл перестраивался так, что это число возросло до шести. Это невероятный результат, никем и никогда не представленный прежде. Именно поэтому ему требовалось и теоретическое обоснование, проработкой которого мы занялись независимо на нашем суперкомпьютере», — рассказал научный руководитель лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС» и заведующий отделом теоретической физики Института физики, химии и биологии Линчепингского университета Игорь Абрикосов.

Результаты вычислений суперкомпьютерного кластера лаборатории почти полностью совпали с результатами эксперимента.

Как отмечает Абрикосов, во многом бериллий был выбран в качестве экспериментального материала потому, что он пользуется особой популярностью в машиностроении и космической отрасли. Тем не менее, проделанная работа носит в большей степени фундаментальный характер — изучая модификации конкретных материалов, можно построить общую теоретическую модель, позволяющую систематизировать процессы и условия, необходимые для создания «невозможных материалов».

В ближайших планах ученых — продолжить исследования, в частности, с таким классом материалов, как полинитриды.