Химики-теоретики из Института физической химии при Польской академии наук обнаружили, как синтезировать оксид криптона, первое бинарное соединение криптона и кислорода. Оказывается, такое необычное вещество можно получить при чрезвычайно высоком давлении, и его производство вполне возможно в современных лабораториях.
Криптон – благородный газ с атомным номером 36, который, как считалось, не способен к образованию стабильных химических соединений. Однако поляки прогнозируют возможность синтеза нового кристаллического материала, в котором атомы криптона будут химически связаны с другими химическими элементами.
"Вещество, создание которого мы предсказали, это соединение криптона с кислородом, не азотом. То есть в комиксах он должен называться не криптонит, а криптооксид. То есть Супермен пока может быть более-менее спокоен, – шутит Патрик Залесский-Эйгирд (Patrick Zaleski-Ejgierd). – Наша форма криптона, по всей видимости, не существует в природе". Криптонит из комиксов может формироваться разве что в недрах планеты, где давление достаточно высокое для его синтеза, но там не должно быть ни кислорода, ни газа криптона.
Соединения криптона ранее были произведены в лаборатории лишь в криогенных условиях, причём это были только отдельные линейные и довольно короткие молекулы из атомов криптона-углерода-водорода. То есть о кристаллах речи не шло. Польские химики задались целью выяснить, при каких условиях криптон будет не только химически связываться с другим элементом, но и образует обширную и стабильную кристаллическую решётку.
Их работа связана с использованием алгоритмов и теоретических моделей, базирующихся на так называемой теории функционала плотности. В области физики твёрдых тел эта теория является основным инструментом для описания и изучения мира молекул.
"Наше компьютерное моделирование показало, что кристаллы оксида криптона будут образовываться при давлении в 3-5 миллионов атмосфер, – рассказывает Павел Лата (Pawel M. Lata). – Это высокое давление, но его можно достичь в современных лабораториях в алмазных наковальнях".
Кристаллические решётки (основа любого кристалла) состоят из атомов или молекул, образующих упорядоченную структуру. Наименьший повторяющийся фрагмент таких природных конструкций называется элементарной ячейкой. В кристаллах поваренной соли NaCl, например, элементарная ячейка имеет форму куба, в котором атомы натрия и хлора, расположенные поочерёдно, "расставлены" по углам, достаточно близко друг к другу, что позволяет образоваться ковалентной химической связи.
Элементарная ячейка криптооксида – кубоид с алмазным основанием, с атомами криптона по углам и ещё двумя атомами криптона в центрах противоположных сторон. Где же кислород? На боковых стенках элементарной ячейки, где находятся по пять атомов криптона, атомы кислорода расположены как точки на кубике при игре в кости, показывающие цифру пять. Но их не четыре на каждой стороне, как стоило бы ожидать, а лишь два.
Поясним. Одиночные атомы кислорода расположены между атомами криптона, но только вдоль одной из диагоналей. При этом ещё и диагональ не совсем точна: один из атомов слегка смещён с неё в одном направлении, а другой атом – в другом.
В такой необычной элементарной ячейке каждый атом кислорода химически связан с двумя ближайшими соседними атомами криптона. Поэтому образующийся кристалл монооксида должны пронизывать зигзагообразные цепи Kr/OKrO/Kr, образующие длинные полимерные структуры.
Расчёты показали, что кристаллы криптона этого типа должны иметь свойства полупроводника, а также не будут полностью прозрачными.
Теоретики также предположили вероятность существования второго чуть менее стабильного соединения криптона – четырёхокиси KrO4. Скорее всего, такой материал имеет свойства, типичные для металла, более простую кристаллическую структуру и может быть сформирован при давлении, превышающем 340 миллионов атмосфер.
После образования два вида оксидов криптона, вероятно, могут существовать при более низком давлении, чем требуется для их формирования. Однако при обычном для нашей планеты давлении они немедленно деградируют. Поэтому исследователи не уверены, что сейчас есть смысл пытаться синтезировать их в лаборатории.
Научная статья польских специалистов появилась в журнале Scientific Reports.
