Исследователи изучали, сколько времени требуется углеводородам, соединениям, состоящим из углерода и водорода, для образования алмазов при чрезвычайно высоком давлении и высокой температуре. В своих экспериментах на европейском XFEL (рентгеновском лазере на свободных электронах) в Германии команда изучала влияние этих экстремальных условий на образцы углеводородов со встроенной золотой фольгой, которая должна была поглощать рентгеновские лучи и нагревать слабо поглощающие углеводороды. К своему удивлению, они не только увидели образование алмазов, но и обнаружили образование гидрида золота.

"Это было неожиданно, потому что золото, как правило, химически очень скучное и нереактивное вещество - вот почему мы используем его в качестве поглотителя рентгеновского излучения в этих экспериментах", - сказал Мунго Фрост, штатный научный сотрудник SLAC, руководивший исследованием. "Эти результаты предполагают, что потенциально существует много новой химии, которую можно открыть в экстремальных условиях, когда воздействие температуры и давления начинает конкурировать с обычной химией, и вы можете образовывать эти экзотические соединения".

Результаты, опубликованные в международном издании Angewandte Chemie, дают представление о том, как меняются правила химии в экстремальных условиях, подобных тем, которые наблюдаются внутри определенных планет или звезд, в которых происходит слияние водорода.

Изучение плотного водорода

В своем эксперименте исследователи сначала сжали образцы углеводородов до давления, превышающего давление в мантии Земли, используя ячейку с алмазной наковальней. Затем они нагрели образцы более чем до 3500 градусов по Фаренгейту, многократно воздействуя на них рентгеновскими импульсами от европейского XFEL. Команда записала и проанализировала, как рентгеновские лучи рассеивались на образцах, что позволило им выявить структурные преобразования внутри них.

Как и ожидалось, зарегистрированные картины рассеяния показали, что атомы углерода образовали алмазную структуру. Но команда также увидела неожиданные сигналы, которые были вызваны тем, что атомы водорода вступали в реакцию с золотой фольгой с образованием гидрида золота.

В экстремальных условиях, созданных в ходе исследования, исследователи обнаружили, что водород находится в плотном, "суперионном" состоянии, когда атомы водорода свободно проходят через жесткую атомную решетку золота, увеличивая проводимость гидрида золота.

Водород, который является самым легким элементом периодической таблицы Менделеева, сложно изучать с помощью рентгеновских лучей, поскольку он слабо рассеивает рентгеновские лучи. Здесь, однако, суперионный водород взаимодействовал с гораздо более тяжелыми атомами золота, и команда смогла наблюдать влияние водорода на то, как золотая решетка рассеивает рентгеновские лучи. "Мы можем использовать золотую решетку в качестве свидетеля того, что делает водород", - сказал Мунго.

Гидрид золота предлагает способ изучения плотного атомарного водорода в условиях, которые могут быть применимы и к другим ситуациям, недоступным непосредственно экспериментально. Например, плотный водород содержится внутри некоторых планет, поэтому изучение его в лаборатории могло бы рассказать нам больше об этих чужих мирах. Это также могло бы дать новое представление о процессах ядерного синтеза внутри звезд, подобных нашему Солнцу, и помочь разработать технологию использования термоядерной энергии здесь, на Земле.

Изучение новой химии

В дополнение к прокладыванию пути для изучения плотного водорода, это исследование также открывает возможности для изучения новой химии. Было обнаружено, что золото, которое обычно считается нереактивным металлом, образует стабильный гидрид при чрезвычайно высоком давлении и температуре. На самом деле, по-видимому, он стабилен только в этих экстремальных условиях, поскольку при охлаждении золото и водород разделяются. Моделирование также показало, что при более высоком давлении в золотую решетку могло бы поместиться больше водорода.

"Эти результаты предполагают, что потенциально существует много новой химии, которую можно открыть в экстремальных условиях, когда воздействие температуры и давления начинает конкурировать с обычной химией, и вы можете образовывать эти экзотические соединения". Мунго Фрост, штатный научный сотрудник SLAC

Структура моделирования также может быть расширена за пределы гидрида золота. "Важно, что мы можем экспериментально создать и смоделировать эти состояния в этих экстремальных условиях", - сказал Зигфрид Гленцер, директор отдела высокой плотности энергии и профессор фотонной науки в SLAC и главный исследователь исследования. "Эти инструменты моделирования могут быть применены для моделирования других экзотических свойств материалов в экстремальных условиях".

В состав команды также входили исследователи из Ростокского университета, DESY, Европейского XFEL, Дрезденского центра Гельмгольца-Россендорфа, Франкфуртского университета и Байройтского университета, все в Германии; Эдинбургского университета, Великобритания; Научного института Карнеги, Стэнфордского университета и Стэнфордского института материаловедения и энергетики (SIMES). Часть этой работы была выполнена при поддержке Научного управления Министерства энергетики США.