Ученые открыли пять новых форм диоксида кремния

Группа ученых из Института Карнеги (Вашингтон, США) получила пять новых форм диоксида кремния с разными кристаллическими структурами. Открытие важно в контексте понимания строения Земли. Статья о работе принята к публикации в журнале Nature Communications, пресс-релиз доступен на сайте института.

Диоксид кремния имеет формулу SiO₂. Известно, что это основной компонент земной коры и мантии, но для понимания строения земных оболочек необходимо понимать, в каких кристаллических модификациях он там содержится.

До этой работы уже было известно несколько модификаций SiO₂. При нормальных условиях наиболее устойчива форма, образованная тетраэдрами, у которых в центре находятся атомы кремния, а в вершинах - атомы кислорода. При этом говорят, что координационное число (КЧ)  кремния равно четырем. В такой своей модификации диоксид кремния хорошо известен неспециалистам - это основная составляющая большинства видов песка.

Другие модификации SiO₂ устойчивы лишь при больших давлениях и/или температурах. Так, достаточно давно известны коэсит (образован теми же тетраэдрами, но чуть иначе упакованными) и стишовит (образован октаэдрами, где, опять, в центре атомы кремния, а в вершинах - кислорода; здесь КЧ кремния равно 6). Достаточно давно возник вопрос: существуют ли модификации, “промежуточные” между коэситом и стишовитом?

Однако результаты авторов опровергли это предположение. Варьируя давление, которому подвергался SiO₂, от 257 до 523 тысяч атмосфер (26 - 53 ГПа), они получили сразу 5 новых кристаллических структур. Структура, отвечающая наибольшему давлению, содержала только атомы кремния с КЧ 6. Остальные четыре структуры содержали атомы кремния как с КЧ 4, так и с КЧ 6 - в разных пропорциях и взаимном расположении.

Все полученные кристаллические решетки строго периодические, что было доказано методами рентгеновской дифракции. Результаты опровергают гипотезу, в соответствии с которой при изменении КЧ кремния от 4 до 6 диоксид кремния на некоторое время становится аморфным, то есть не имеющим строгой периодичности строения.

Эксперименты проводились при комнатной температуре, в то время как в земной коре и мантии температуры сильно выше, и делать вывод, что открытые модификации реально присутствуют в земных недрах, преждевременно. Однако это вполне можно считать первыми набросками, которые позволят понять, в каком направлении продолжить поиск новых фаз при высоких температурах.