Габриеле Салех, научный сотрудник МФТИ, и Артем Оганов, заведующий лабораторией компьютерного дизайна материалов в МФТИ и профессор Сколтеха, выяснили причину существования различных соединений, необычных для “школьной” химии, сообщает ТАСС со ссылкой на Physical Chemistry Chemical Physics.

За стабильность таких соединений отвечает перестройка химических взаимодействий.

Ранее Оганов с коллегами экспериментально обнаружили несколько “запрещенных” соединений – Na3Cl, NaCl3, NaCl7 и даже Na3Cl2. Эти соединения устойчивы только при экстремальных давлениях (около 200 тысяч атмосфер) и распадаются в земных условиях. Однако понимание их природы – важная задача для планетологии.

В новой работе Оганов и Салех построили простую модель и сформулировали основные принципы стабильности “запрещенных” веществ. Дополнительно ученые обновили фазовую диаграмму соединений Na и Cl: добавили новое соединение Na4Cl3 и две новые структуры Na3Cl. Исследования проводились с помощью алгоритма USPEX в сочетании с квантово-механическими расчетами.

Структура “школьного” NaCl (слева) и “запрещенного” A3Y (A=Li, Na, K; Y= F, Cl, Br) (справа). © Пресс-служба МФТИ 

Оказалось, что необычное соотношение атомов Na и Сl в “запрещенных” соединениях объясняется конкуренцией между двумя типами связей, на которую влияют внешние условия, в том числе давление. Первый тип это координационные взаимодействия – взаимодействия между соседними одинаковыми атомами, ответственные за структуру и свойства кристаллов (так, за свойства графита отвечают координационные взаимодействия атомов углерода). А второй тип – это ионные взаимодействия между атомами Na и Сl, которые становятся тем сильнее, чем больше ослабляются взаимодействия координационные.

В дополнение к объяснению стабильности субхлоридов натрия Салех и Оганов предположили, что на месте Na может быть любой щелочной металл, а на месте Сl – любой более тяжёлый галоген. В результате, модель позволяет исследовать свойства субгалогенидов щелочных металлов и предсказывать их стабильность. Так, ученые еще предсказали стабильность соединений Li3Cl, Li3Br, Na3Br со структурой похожей на Na3Cl, а также K3Cl, K3Br c уникальной структурой, продиктованной особенностями электронного строения оболочек атома Br.

Компьютерный дизайн материалов – это новая и перспективная область материаловедения. Благодаря современным вычислительным возможностям и алгоритмам ученные могут предсказывать строения и свойства соединений, что значительно ускоряет и удешевляет процесс производства материалов будущего.