Необычная химия и сверхпроводимость: что происходит с литием и цезием под давлением

Литий и цезий — два элемента, которые не реагируют друг с другом при обычных условиях. Но если сильно сжать их, то они могут образовать удивительные соединения с нетипичными свойствами. Об этом рассказали ученые из России, Китая и США в журнале Nano Letters.


Литий и цезий — металлы, которые находятся в разных частях таблицы Менделеева. Литий — самый легкий металл, который легко окисляется на воздухе и взрывается при контакте с водой. Цезий — самый тяжелый щелочной металл, который тоже очень реактивен и имеет низкую температуру плавления (28 градусов Цельсия).

При нормальных условиях эти элементы не реагируют друг с другом, потому что литий имеет большую электроотрицательность, чем цезий. Это значит, что литий лучше притягивает электроны к своему атому, чем цезий. Поэтому литий не хочет отдавать свой электрон цезию, а цезий не может его забрать.

Но если сильно увеличить давление на эти элементы, то они начинают вести себя по-другому. Цезий становится более электроотрицательным, чем литий, и может отбирать у него электроны. Тогда между ними возникает химическая связь, и они образуют новые соединения.

Ученые из Сколтеха, Педагогического университета Цзянсу и других институтов предсказали существование четырех новых соединений лития и цезия под давлением. Они использовали специальный алгоритм для расчета кристаллических структур, который разработал профессор Сколтеха Артем Оганов.

Эти соединения имеют необычные формулы: Li14Cs, Li6Cs, Li2Cs и LiCs. Они не соответствуют правилам химии, которые мы изучаем в школе. Например, Li14Cs состоит из 14 атомов лития и одного атома цезия. Такое соотношение очень редко встречается в природе.

Кроме того, эти соединения имеют необычные кристаллические структуры. Это значит, что атомы в них расположены в определенном порядке, который определяет форму кристалла. Некоторые из этих структур никогда раньше не были обнаружены для других веществ.

Эти соединения не только химически странные, но и физически удивительные. Оказалось, что они являются сверхпроводниками при низких температурах (от −223 до −213 градусов Цельсия).

Сверхпроводники — материалы, которые проводят электрический ток без потерь. Это значит, что они не нагреваются и не создают магнитных помех. Сверхпроводники могут быть использованы для создания эффективных систем энергопередачи, быстрых компьютеров и мощных магнитов.

Существует много видов сверхпроводников, но большинство из них работают только при очень низких температурах (близких к абсолютному нулю). Поэтому ученые ищут новые материалы, которые могут сверхпроводить при более высоких температурах.

Один из таких материалов — полигидриды. Это соединения металлов с большим количеством водорода. Водород — самый легкий элемент в таблице Менделеева. Он имеет один электрон на внешней оболочке атома. При высоком давлении водород может образовывать разные кристаллические структуры и сверхпроводить при относительно высоких температурах (до −23 градусов Цельсия).

Литий очень похож на водород по своей структуре и массе. Поэтому ученые предполагают, что он тоже может образовывать полигидриды с другими элементами и сверхпроводить при высоких температурах. Соединения лития и цезия — это первый шаг к изучению таких возможностей.

Исследование ученых было поддержано Российским научным фондом (РНФ). В работе принимали участие коллеги из США (Невадский университет в Лас-Вегасе) и Китая (Северо-западный политехнический университет).