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 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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.