Сверхвысокое давление заставило гелий соединиться с железом
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 гелия, 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.
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.
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
Ее температура на прямом солнце оказалась до двух градусов ниже окружающего воздуха
Китайские ученые разработали многослойные цветные пленки, которые могут охлаждать поверхность до двух градусов Цельсия по сравнению с температурой окружающей среды. Высоко-насыщенный цвет этих пленок — до 100 процентов цветопередачи — виден в широком диапазоне углов (± 60 градусов). На создание такой структуры физиков вдохновили бабочки вида Morpho menelaus. Статья опубликована в журнале Optica. Большинство искусственно созданных красок работают из-за поглощения части диапазона видимого света, что может приводить к существенному нагреву окрашенных ими предметов. Чтобы предотвратить нежелательный нагрев часто используют белую краску, которая практически полностью отражает солнечную энергию. Создание разноцветных поверхностей, которые при этом не нагреваются — до сих пор сложная задача. Однако в природе встречается и другой способ цветовой передачи. Например у некоторых бабочек цвет крыльев возникает при возникновении интерференции из-за специфического отражения света от периодической структуры их крыльев. Ван Гопин (Guo Ping Wong) с коллегами из Шеньчжэньского университета предложили свое решение проблемы нагрева окрашенных поверхностей, как раз вдохновившись структурой крыльев бабочек M. menelaus. Благодаря многослойности и наличию неупорядоченных компонентов, крылья бабочек этого вида передают высокую насыщенность синего цвета в широком угле обзора. Ученые воссоздали аналогичную структуру, поместив нескольких слоев из оксидов титана TiO2 и кремния SiO2, на матовое стекло, расположенное на отражающей серебряной поверхности. Ученые оптимизировали толщину верхних слоев и добились полного отражения нежелательного желтого света. При этом синий свет свободно проникал через верхнюю многослойную структуру, испытывал диффузное отражение от неупорядоченного матового стекла, отражался от серебряного зеркала и, возвращаясь через верхнюю многослойную структуру, обеспечивал насыщенный синий цвет образца. В результате ученым удалось добиться высокой насыщенности синего цвета, до 100 процентов, в угле обзора ±60 градусов, за исключением узкого диапазона — зеркального по отношению к падающему свету — в котором отражался желтый цвет. При этом эта пленка обеспечила охлаждение до двух градусов Цельсия ниже температуры окружающей среды, что сравнимо с эффективностью бесцветной охлаждающей пленки на основе серебра и полидиметилсилоксана (ПДМС). Охлаждение образца происходило за счет высокой эффективности диффузного отражения синей части спектра, малого поглощения нежелательной части видимого спектра и ближнего инфракрасного излучения, а также из-за высокого излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Ученые создали по той же технологии образцы различных цветов и экспериментально измерили их способность охлаждать поверхности, располагая их на крыше здания института и на автомобилях. Обычная синяя краска при температуре воздуха 27 градусов Цельсия и на прямом солнце нагревалась в этих экспериментах до примерно 70 градусов. А образцы новой пленки в тех же условиях продемонстрировали температуру поверхности до 45 градусов ниже. Авторы статьи подсчитали, что за обычный метеорологический год в Шеньчжене замена обычной синей краски на охлаждающую могла бы привести к сохранению около 1377 мегаджоулей на квадратный метр энергии, требующейся на охлаждение. Ученые полагают, что дальнейшая оптимизация структуры пленок, например замена серебра на многослойный диэлектрик, позволит еще больше увеличить охлаждающий эффект. Ученых не в первый раз привлекла способность неупорядоченных структур в природных объектах к охлаждению. Они хорошо рассеивают солнечный свет, что можно использовать, например, для предотвращения таяния льдов.