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

«Счастье дается только знающим. Чем больше знает человек, тем резче, тем сильнее он видит поэзию земли там, где ее никогда не найдет человек, обладающий скудными знаниями»

Константин Паустовский

Файлы

Руководство по управлению космическим кораблём Земля

Язык генов

Что такое жизнь?

Ответы верующим