«Отрицательные» кластеры атомов водорода впервые получили в лаборатории

Физики из университета Иннсбрука (Австрия), Свободного университета Берлина и Университета Лейчестера впервые получили отрицательно заряженные кластеры из большого количества атомов водорода. Некоторые теоретики предсказывают, что такие кластеры могут существовать в межзвездном пространстве. Наиболее устойчивыми оказались кластеры правильных геометрических форм — например, икосаэдрические. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

В обычном состоянии водород представляет собой двухатомный газ: его молекулы состоят ровно из двух атомов водорода, соединенных между собой химической связью. В некоторых условиях — пониженной температуры или очень разреженных сред — эти молекулы могут объединяться в более сложные ассоциаты, состоящие из гораздо большего количества атомов. Их устойчивость (а значит и время жизни) гораздо меньше, чем у обычной молекулы водорода. Тем не менее, встретить такие кластеры в естественных средах возможно.

К примеру, в конце XX века, в атмосфере Юпитера и некоторых облаках межзвездного газа были обнаружены следы положительно заряженных ионов триводорода (H₃⁺). Более сложные положительно заряженные кластеры хорошо известны и наблюдались в лабораторных условиях — они содержали свыше ста атомов водорода. Кроме того, известны и гетероатомные кластеры, в которых тяжелый ион окружен молекулами водорода. Вместе с тем, список отрицательно заряженных кластеров водорода ограничен частицей H₃^- и ее дейтериевым аналогом. Их существование в межзвездном пространстве также считается вероятным — устойчивость анионов имеет примерно такой же порядок величин, как и у катионов. 

Авторы новой работы впервые нашли способ получения отрицательно заряженных кластеров водорода, состоящих из более чем пяти атомов. Для того, чтобы обеспечить низкую температуру среды ученые использовали наноразмерные капли жидкого гелия, охлажденные до 0,38 кельвина. В эти капли физики вводили водород, который самостоятельно ассоциировался в нейтральные (не заряженные) кластеры. Затем капли «обстреливали» электронным пучком, заставлявшим кластеры ионизироваться и «сбегать» в окружающее пространство. С помощью методов масс-спектроскопии эти частицы вылавливали и определяли их массу. 

Оказалось, что образовавшиеся кластеры содержали в себе иногда более ста атомов водорода, а их масса всегда была нечетной. Это позволяет предположить их строение — один отрицательно заряженный атом водорода в центре и «шуба» из двухатомных молекул водорода вокруг него. Частицы некоторых масс образовывались чаще — эти массы авторы называют магическими числами (по аналогии с магическими числами в кластерах металлов или в ядрах атомов). Среди них ионы H₂₅^-, H₆₅^-, H₈₉^-. Первый из них, к примеру, соответствует икосаэдрическому окружению иона водорода. Время жизни кластеров, по меньшей мере, превышало десятки микросекунд. В будущем ученые планируют исследовать возможные квантовые эффекты, которые могут проявляться в таких частицах.

Аналогичные кластерные соединения образуют и многие другие элементы таблицы Менделеева. К примеру, 3-5 нанометровые частицы золота, серебра, платины или палладия, активно использующиеся в катализе химических реакций, также можно рассматривать как кластеры, состоящие из нескольких десятков атомов. В 2015 году мы сообщали о синтезе кластера, в котором реализуется рекордное для химии координационное число — количество атомов, связанных с данным. Это ион CoB₁₆^-, в котором координационное число кобальта равно 16.

Владимир Королёв