Небывалое вещество показало путь к хранению энергии
В области горючего все рекордсмены, думается, известны наперёд, поскольку их «нужное содержание» зависит от в далеком прошлом изученных химических связей. Но в случае если посмотреть вовнутрь планет, в том месте смогут найтись материалы с необыкновенными параметрами.
И прекрасно, что для для того чтобы поиска не обязательно спускаться в «преисподнюю» – достаточно и возможностей лаборатории.
Эксперты из университета Вашингтона (WSU) применяли сверхвысокое давление, подобное существующему в недрах Земли либо пропасти планет-гигантов, и создали невиданный прежде материал. По удельной ёмкости это – самое высокоплотное энергетическое хранилище химического типа.
Ведущий создатель изучения доктор наук Чхонк-Шик Ёо (Choong-Shik Yoo) говорит о новом материале так: «Это самый сжатая форма хранения энергии, за исключением ядерной». Нетрудно додуматься, какие конкретно возможности сулит освоение таковой «упаковки» на практике.
Доктор наук Чхонк-Шик Ёо и его студенты осматривают исследовательскую установку (фото Washington State University).
Как поясняет пресс-релиз WSU, химики поместили вовнутрь ячейки большого давления (5 х 8 сантиметров) с алмазными наковальнями порцию дифторида ксенона (XeF2). Это вещество употребляется для травления кремния в микроэлектромеханических совокупностях, и его задействуют при синтезе сверхпроводников.
Молекула дифторида ксенона и кристаллическая решётка этого вещества в простом состоянии (иллюстрации wikipedia.org).
В простых условиях дифторид ксенона — жёсткий белый кристалл, диэлектрик, а его линейные молекулы находятся на относительно громадном расстоянии друг от друга. Но под большим давлением картина радикально изменяется: материал меняет структуру с молекулярной на атомарную, а кристаллическая решётка перестраивается, снабжая появление в примере железных особенностей.
При 50 гигапаскалях (500 тысяч воздухов) XeF2 преобразовывается в красноватый полупроводник, содержащий XeF4 (тут имеется в виду элементарная ячейка кристалла) с двумерной слоистой графитоподобной решёткой.
При сжатии выше 70 ГПа часть примера трансформируется в тёмный состав с железными особенностями — XeF8 (его, к слову, учёные замечали в первый раз). Решётка этого материала составлена уже из сложных многогранников, формирующих «тугие» трёхмерные связи. (Подробности раскрывает статья в Nature Chemistry.)
Кристаллические решётки разных фаз фторида ксенона при 52 ГПа (a и b – виды с различных сторон), и при 98 ГПа (c).
светло синий шарики – ксенон, оранжевые – фтор (иллюстрация Minseob Kim et al./Nature Chemistry).
Авторы работы изучили свойства необыкновенного варианта фторида ксенона при давлении до миллиона воздухов с лишним, поразившись его новым особенностям.
Химики установили, что перераспределение электронов в оболочках атомов, вызванное сближением молекул и колоссальным давлением исходного вещества, и частичная делокализация электронов (каковые тем самым смягчают силы отталкивания, действующие между ядрами атома) снабжают выстраивание в таком кристалле новых химических связей.
Прозрачная фаза фторида ксенона при 3 ГПа (a), жёлтая при 47 ГПа (b), красная при 53 ГПа (c) и тёмная при 74 ГПа (d).
Съёмка в проходящем свете. Масштабные линейки: а) 100 мкм, остальные – 50 мкм.Справа: светло синий точки на графике демонстрируют два резких падения электрического сопротивления примера фторида ксенона по мере увеличения давления, что соответствует переходу его в класс полупроводников и проводников соответственно (иллюстрации Minseob Kim et al./Nature Chemistry).
Особенно учёных заинтересовало то, что связи эти были весьма сильными. Практически на протяжении опыта происходило преобразование энергии механического давления в химическую с ультравысокой плотностью.
Учёные считают, что предстоящее развитие этих опытов может привести к появлению нового класса энергетических топлива и материалов, необыкновенных устройств для хранения энергии, суперокислителей для уничтожения химических и биологических агентов, к созданию новых высокотемпературных сверхпроводников.
Фторид ксенона (так называемая фаза I) при 2 ГПа, рисунок (a), его полупроводниковая фаза IV при 52 ГПа (b) и железная фаза V при 98 ГПа (c). d,e, f – соответствующие им карты электронной плотности, красный цвет – повышенная, светло синий – пониженная (иллюстрация Minseob Kim et al./Nature Chemistry).
Действительно, от первых опытов по получению необыкновенного материала до настоящих устройств, каковые имели возможность бы его применять (наподобие топливных элементов либо батарей), — расстояние огромного размера. Нынешняя работа до тех пор пока воображает больше отвлечённый интерес.
И однако нужно отыскать в памяти, что все великие изобретения человечества начинались с несложных опытов. Предвидел ли, например, Луиджи Гальвани, как поменяет мир электричество, в то время, когда думал над препарированной лягушкой, у которой дёргалась лапка при соприкосновении с железным скальпелем?
