Международная группа исследователей под руководством учёных из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США впервые получила твёрдый бинарный гидрид золота — соединение, состоящее исключительно из атомов золота и водорода.
Исследователи изучали, сколько времени требуется углеводородам (соединениям, состоящим из углерода и водорода) для формирования алмазов при чрезвычайно высоком давлении и температуре. В экспериментах на Европейском XFEL (лазер на свободных электронах) в Германии команда изучала влияние экстремальных условий на образцы углеводородов с внедрённой золотой фольгой, которая должна была поглощать рентгеновские лучи и нагревать слабо поглощающие углеводороды.
К удивлению учёных, они не только увидели формирование алмазов, но и обнаружили образование гидрида золота.
«Это было неожиданно, потому что золото обычно химически очень инертно и малореактивно — именно поэтому мы используем его в качестве поглотителя рентгеновских лучей в этих экспериментах», — сказал Манго Фрост, научный сотрудник SLAC, возглавлявший исследование.
Результаты, опубликованные в Angewandte Chemie International Edition, дают представление о том, как меняются правила химии в экстремальных условиях, подобных тем, что существуют внутри некоторых планет или водородных звёзд.
Эксперимент
В ходе эксперимента исследователи сначала сжали образцы углеводородов до давления, превышающего давление в мантии Земли, с помощью алмазной наковальни. Затем они нагрели образцы до температуры более 3 500 градусов по Фаренгейту, многократно воздействуя на них импульсами рентгеновского излучения из Европейского XFEL.
Команда записывала и анализировала, как рентгеновские лучи рассеивались от образцов, что позволило им определить структурные преобразования внутри. Как и ожидалось, записанные диаграммы рассеяния показали, что атомы углерода образовали алмазоподобную структуру. Но команда также увидела неожиданные сигналы, которые были вызваны реакцией атомов водорода с золотой фольгой с образованием гидрида золота.
В экстремальных условиях, созданных в ходе исследования, учёные обнаружили, что водород находится в плотном «суперионном» состоянии, когда атомы водорода свободно текут через жёсткую атомную решётку золота, повышая проводимость гидрида золота.
Водород, являющийся самым лёгким элементом в периодической таблице, сложен для изучения с помощью рентгеновских лучей, поскольку слабо рассеивает их. Однако суперионный водород взаимодействовал с гораздо более тяжёлыми атомами золота, и команда смогла наблюдать влияние водорода на то, как золотая решётка рассеивает рентгеновские лучи.
«Мы можем использовать золотую решётку как индикатор того, что делает водород», — сказал Манго.
Гидрид золота даёт возможность изучать плотный атомарный водород в условиях, которые могут также применяться в других ситуациях, экспериментально недоступных напрямую. Например, плотный водород составляет внутреннюю часть некоторых планет, поэтому его изучение в лаборатории может рассказать нам больше об этих далёких мирах.
Это также может дать новое понимание процессов ядерного синтеза внутри звёзд, подобных нашему Солнцу, и помочь в разработке технологий для использования энергии синтеза на Земле.
Помимо того, что исследование прокладывает путь для изучения плотного водорода, оно также открывает возможности для изучения новой химии. Золото, которое обычно считается малоактивным металлом, было обнаружено в виде стабильного гидрида при чрезвычайно высоком давлении и температуре.
Фактически, он, по-видимому, стабилен только в этих экстремальных условиях, поскольку при охлаждении золото и водород разделяются. Моделирование также показало, что при более высоком давлении в золотую решётку может поместиться больше водорода.
«Важно, что мы можем экспериментально воспроизводить и моделировать эти состояния в экстремальных условиях», — сказал Зигфрид Глензер, директор отдела физики высоких энергий и профессор фотонной науки в SLAC и главный исследователь исследования.
«Эти инструменты моделирования могут быть применены для моделирования других экзотических свойств материалов в экстремальных условиях».