Небывалое вещество показало путь к хранению энергии

Удивительно, как много нового может рассказать о себе вещество, если на него хорошенько надавить. На снимке: исследуемый образец под микроскопом, оранжевые полоски – электроды, необходимые для измерения проводимости (фото Minseob Kim et al./Nature Chemistry).

В области топлива все рекордсмены, кажется, известны наперёд, ведь их "полезное содержание" зависит от давно изученных химических связей. Однако если заглянуть внутрь планет, там могут найтись материалы с необычными параметрами. И хорошо, что для такого поиска не обязательно спускаться в "преисподнюю" – достаточно и возможностей лаборатории.

Специалисты из университета Вашингтона (WSU) использовали сверхвысокое давление, аналогичное существующему в недрах Земли или бездне планет-гигантов, и создали невиданный прежде материал. По удельной ёмкости это – самое высокоплотное энергетическое хранилище химического типа.

Ведущий автор исследования профессор Чхонк-Шик Ёо (Choong-Shik Yoo) говорит о новом материале так: "Это наиболее сжатая форма хранения энергии, за исключением ядерной". Нетрудно догадаться, какие перспективы сулит освоение такой "упаковки" на практике.

Профессор Чхонк-Шик Ёо и его студенты осматривают исследовательскую установку (фото Washington State University).

Как поясняет пресс-релиз WSU, химики поместили внутрь ячейки высокого давления (5 х 8 сантиметров) с алмазными наковальнями порцию дифторида ксенона (XeF2). Это вещество используется для травления кремния в микроэлектромеханических системах, а также его задействуют при синтезе сверхпроводников.

Молекула дифторида ксенона и кристаллическая решётка этого вещества в обычном состоянии (иллюстрации wikipedia.org).


В обычных условиях дифторид ксенона — твёрдый белый кристалл, диэлектрик, а его линейные молекулы находятся на сравнительно большом расстоянии друг от друга. Однако под высоким давлением картина радикально меняется: материал меняет структуру с молекулярной на атомарную, а кристаллическая решётка перестраивается, обеспечивая появление в образце металлических свойств.

При 50 гигапаскалях (500 тысяч атмосфер) XeF2 превращается в красноватый полупроводник, содержащий XeF4 (тут имеется в виду элементарная ячейка кристалла) с двумерной слоистой графитоподобной решёткой.

При сжатии выше 70 ГПа часть образца трансформируется в чёрный состав с металлическими свойствами — XeF8 (его, к слову, учёные наблюдали впервые). Решётка этого материала составлена уже из сложных многогранников, формирующих "тугие" трёхмерные связи. (Детали раскрывает статья в Nature Chemistry.)

Кристаллические решётки различных фаз фторида ксенона при 52 ГПа (a и b – виды с разных сторон), а также при 98 ГПа (c). Синие шарики – ксенон, оранжевые – фтор (иллюстрация Minseob Kim et al./Nature Chemistry).

Авторы работы изучили свойства необычного варианта фторида ксенона при давлении до миллиона атмосфер с лишним, поразившись его новым свойствам.

Химики установили, что перераспределение электронов в оболочках атомов, вызванное колоссальным давлением и сближением молекул исходного вещества, а также частичная делокализация электронов (которые тем самым смягчают силы отталкивания, действующие между атомными ядрами) обеспечивают выстраивание в таком кристалле новых химических связей.

Прозрачная фаза фторида ксенона при 3 ГПа (a), жёлтая при 47 ГПа (b), красная при 53 ГПа (c) и чёрная при 74 ГПа (d). Съёмка в проходящем свете. Масштабные линейки: а) 100 мкм, остальные – 50 мкм.

Справа: синие точки на графике демонстрируют два резких падения электрического сопротивления образца фторида ксенона по мере повышения давления, что соответствует переходу его в класс полупроводников и проводников соответственно (иллюстрации Minseob Kim et al./Nature Chemistry).

Особенно учёных заинтересовало то, что связи эти оказались очень сильными. Фактически в ходе опыта происходило преобразование энергии механического давления в химическую с ультравысокой плотностью.

Учёные полагают, что дальнейшее развитие этих опытов может привести к появлению нового класса энергетических материалов и топлива, необычных устройств для хранения энергии, суперокислителей для уничтожения химических и биологических агентов, к созданию новых высокотемпературных сверхпроводников.

Фторид ксенона (так называемая фаза I) при 2 ГПа, рисунок (a), его полупроводниковая фаза IV при 52 ГПа (b) и металлическая фаза V при 98 ГПа (c). d,e, f – соответствующие им карты электронной плотности, красный цвет – повышенная, синий – пониженная (иллюстрация Minseob Kim et al./Nature Chemistry).

Правда, от первых опытов по получению необычного материала до реальных устройств, которые могли бы его использовать (вроде топливных элементов или батарей), — дистанция огромного размера. Нынешняя работа пока представляет больше академический интерес.

И всё же надо вспомнить, что все великие изобретения человечества начинались с простых экспериментов. Предвидел ли, к примеру, Луиджи Гальвани, как изменит мир электричество, когда размышлял над препарированной лягушкой, у которой дёргалась лапка при соприкосновении с металлическим скальпелем?

Источник: Membrana