html текст
All interests
  • All interests
  • Design
  • Food
  • Gadgets
  • Humor
  • News
  • Photo
  • Travel
  • Video
Click to see the next recommended page
Like it
Don't like
Add to Favorites

Сверхвысокое давление заставило гелий соединиться с железом


B. Monserrat et al. / Phys. Rev. Lett.

Физики из Великобритании и США показали с помощью численного моделирования, что при давлениях порядка ста миллионов атмосфер гелий и железо образуют устойчивые соединения FeHe и FeHe2, и построили фазовую диаграмму вещества в таких экстремальных условиях. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

В обычных условиях гелий практически не вступает в химические реакции — единственная его электронная оболочка полностью заполнена, энергия ионизации высока, а сродство к электрону низко. Тем не менее, при высоких давлениях, возникающих в центре звезд или экзопланет, ситуация может существенно измениться. Например, в нескольких недавних работах было показано, что при давлении порядка нескольких терапаскалей (один терапаскаль = 107 атмосфер) гелий переходит в металлическое состояние и формирует устойчивые соединения с атомами щелочных металлов. В настоящее время достигнутый в лаборатории рекорд статического давления составляет примерно один терапаскаль, а динамического — пять терапаскалей.

В новой работе группа ученых под руководством Криса Пикарда (Chris Pickard) исследовала с помощью численного моделирования, как при сверхвысоких давлениях образуются соединения гелия и железа. Такой выбор химических элементов физики объясняют их широкой распространенностью: известно, что около 21 процента барионного вещества Вселенной приходится на молекулы гелия, и еще примерно 0,14 процента — на атомы железа. Кроме того, эти элементы довольно часто попадают в экстремальные условия — например, земное ядро почти на 80 процентов состоит из железа и сжато до давлений около 0,35 терапаскаля. Поскольку экзопланеты и белые карлики также содержат большое количество железа и гелия, а давление и температура в их недрах может достигать десятков терапаскалей, образование «невозможных» соединений может заметно повлиять на их динамику.

Для моделирования ученые использовали теорию функционала плотности (density functional theory, DFT), реализованную в виде кода CASTEP, и дополняли ее методом случайного поиска структур (AIRSS). Другими словами, физики случайным образом соединяли атомы в кристаллическую решетку, а потом рассчитывали энергию Гиббса образования получившейся структуры. Энергия Гиббса ΔG равна полному изменению внутренней энергии системы в ходе реакции, то есть определяет «жизнеспособность» реакции. В самом деле, условие ΔG < 0 означает, что при образовании структуры выделяется энергия, а потому ей выгодно оставаться стабильной; в случае ΔG > 0 ситуация обратная, и системе выгоднее распасться.

В результате исследователи обнаружили, что при давлениях более четырех терапаскалей железо и гелий образуют устойчивое соединение FeHe (энергия Гиббса около −2 электронвольт на атом), имеющее орторомбическую структуру (кристаллографическая группа Cmcm). При давлениях более 50 терапаскалей кристаллическая структура соединения изменяется и переходит в структуру каменной соли, в которой атомы хлора заменены на атомы водорода, а атомы натрия — на атомы железа (кристаллографическая группа Fm3m). Кроме того, при давлении около 12 терапаскалей гелий и железо формируют еще более устойчивое соединение с формулой FeHe2 (энергия Гиббса около −3 электронвольт на атом), которое также испытывает фазовый переход при давлении порядка 50 терапаскалей.

Кристаллическая структура FeHe (слева) и FeHe2 (справа) при давлении около 10 терапаскаль

B. Monserrat et al. / Phys. Rev. Lett.


Наконец, ученые учли зависимость от температуры и построили фазовую диаграмму вещества. Как и ожидалось, при сравнительно низких давлениях и температурах железо и гелий тверды и не смешиваются; при повышении температуры и фиксированном давлении первым плавится гелий, а затем в жидкое состояние переходит железо. При повышении давления элементы соединяются и образуют кристаллическую структуру. Кроме того, при определенных значениях параметров вещество переходит в суперионное состояние, которое одновременно проявляет свойства твердого тела и жидкости. По словам авторов статьи, такие фазовые переходы могут оказывать заметное влияние на охлаждение белых карликов, в недрах которых содержится достаточно много железа и гелия.

Фазовая диаграмма смеси железа и гелия в диапазоне давлений от 1 до 10 терапаскаль и температурах от 1 до 20 тысяч кельвинов

B. Monserrat et al. / Phys. Rev. Lett.


Стоит отметить, что ученые и ранее сообщали об устойчивых соединениях гелия, возникающих при сверхвысоких давлениях. Например, в феврале прошлого года группа физиков под руководством Артема Оганова не только предсказала, но и получила в лаборатории устойчивое соединение гелия и натрия Na2He — такое соединение становится стабильным при давлениях порядка 160 гигапаскалей, вполне реализуемых на практике. Кроме того, исследователи регулярно сообщают о других «невозможных» соединениях, образующихся в экстремальных условиях — например, металлическом водороде, оксидах AlO2 и Al4O7, соединениях магния, кремния и кислорода MgSi3O12 и MgSiO6, солях Na3Cl, NaCl3 и NaCl7. Подробнее о том, как сверхвысокие давления получают в лаборатории, можно прочитать в нашем материале «Путешествие к центру Земли», а о том, где «невозможные» соединения встречаются в природе — в материале «Космическая химия».

Дмитрий Трунин

Читать дальше
Twitter
Одноклассники
Мой Мир

материал с nplus1.ru

3

      Add

      You can create thematic collections and keep, for instance, all recipes in one place so you will never lose them.

      No images found
      Previous Next 0 / 0
      500
      • Advertisement
      • Animals
      • Architecture
      • Art
      • Auto
      • Aviation
      • Books
      • Cartoons
      • Celebrities
      • Children
      • Culture
      • Design
      • Economics
      • Education
      • Entertainment
      • Fashion
      • Fitness
      • Food
      • Gadgets
      • Games
      • Health
      • History
      • Hobby
      • Humor
      • Interior
      • Moto
      • Movies
      • Music
      • Nature
      • News
      • Photo
      • Pictures
      • Politics
      • Psychology
      • Science
      • Society
      • Sport
      • Technology
      • Travel
      • Video
      • Weapons
      • Web
      • Work
        Submit
        Valid formats are JPG, PNG, GIF.
        Not more than 5 Мb, please.
        30
        surfingbird.ru/site/
        RSS format guidelines
        500
        • Advertisement
        • Animals
        • Architecture
        • Art
        • Auto
        • Aviation
        • Books
        • Cartoons
        • Celebrities
        • Children
        • Culture
        • Design
        • Economics
        • Education
        • Entertainment
        • Fashion
        • Fitness
        • Food
        • Gadgets
        • Games
        • Health
        • History
        • Hobby
        • Humor
        • Interior
        • Moto
        • Movies
        • Music
        • Nature
        • News
        • Photo
        • Pictures
        • Politics
        • Psychology
        • Science
        • Society
        • Sport
        • Technology
        • Travel
        • Video
        • Weapons
        • Web
        • Work

          Submit

          Thank you! Wait for moderation.

          Тебе это не нравится?

          You can block the domain, tag, user or channel, and we'll stop recommend it to you. You can always unblock them in your settings.

          • nplus1.ru
          • физика
          • ученые
          • химия
          • домен nplus1.ru

          Get a link

          Спасибо, твоя жалоба принята.

          Log on to Surfingbird

          Recover
          Sign up

          or

          Welcome to Surfingbird.com!

          You'll find thousands of interesting pages, photos, and videos inside.
          Join!

          • Personal
            recommendations

          • Stash
            interesting and useful stuff

          • Anywhere,
            anytime

          Do we already know you? Login or restore the password.

          Close

          Add to collection

             

            Facebook

            Ваш профиль на рассмотрении, обновите страницу через несколько секунд

            Facebook

            К сожалению, вы не попадаете под условия акции