Важное достижение осуществлено учеными Сколковского института науки и технологий (Сколтех) во главе с Дмитрием Семенком и Артемом Огановым, а также их партнерами из Цзилиньского университета. Научная группа синтезировала уникальное сверхпроводящее соединение – гидрид празеодима, чье появление ранее считалось невозможным в рамках традиционной химии. Это важное событие не только для теории материалов, но и для будущих технологических применений в энергетике и промышленности.
Сверхпроводимость: важность поиска новых материалов
Сверхпроводники – это материалы, которые полностью теряют электрическое сопротивление при охлаждении до определенной температуры. Благодаря этому они проводят электричество без потерь энергии. Такие свойства делают их настоящей находкой для создания эффективных линий электропередачи, квантовых компьютеров, сверхчувствительных магнитных датчиков и других инновационных технологий.
Одна из главных трудностей – найти материал, который бы становился сверхпроводящим при более высоких, желательно комнатных температурах, вместо экстремального холода. В основном вещества становятся сверхпроводниками только при температуре, близкой к абсолютному нулю, что усложняет и удорожает практическое применение таких материалов.
Гидриды: идеальные кандидаты и их особенности
Среди наиболее перспективных кандидатов на роль новых сверхпроводников – гидриды, то есть соединения металлов с водородом. Себя особенно хорошо проявляет металлический водород, предсказанный в теории как высокотемпературный сверхпроводник. Однако его синтез требует давления, превышающего 4 миллиона атмосфер, что на сегодняшний день крайне сложно реализовать. Поэтому наука с энтузиазмом исследует альтернативные гидриды и другие подходы, позволяющие преодолеть температурный барьер сверхпроводимости.
Одной из ключевых задач остается поиск необычных по структуре соединений, которые бы нарушали привычные представления о валентности элементов и типах их связей.
Прорыв в синтезе новых соединений празеодима
В совместной работе специалистов из Сколтеха, включая Дмитрия Семенока и Артема Оганова, и их соратников из Цзилиньского университета, удалось получить несколько новых соединений водорода с редкоземельным металлом празеодимом, а затем подробно изучить их физические характеристики.
Сам процесс синтеза представлял собой экспериментальное искусство: образцы металла и водорода помещались в алмазную наковальню для создания огромного давления (до 40 ГПа), после чего подвергались высокотемпературному лазерному нагреву. В подобных условиях образовался гидрид PrH3, однако алмазы, используемые в экспериментах, часто разрушались из-за высокой активности водорода.
Для решения этой проблемы исследователи заменила чистый водород бораном аммония – особым соединением, которое при нагревании высвобождает водород, позволяя ему вступать в реакцию с празеодимом. Такой инновационный метод ранее уже доказал свою эффективность при создании гидридов лантана.
PrH9: "невозможное" соединение становится реальностью
Используя лучшие методики, научная группа сумела увеличить давление и получить соединение PrH9 — гидрид празеодима с девятью атомами водорода. Химики традиционно считали, что такое количество водородных связей с атомом празеодима невозможно из-за его электронного строения. Однако квантовые расчеты уже предсказывали вероятность существования подобных "аномальных" соединений, и теперь эти теоретические выкладки нашли подтверждение в лаборатории.
Эксперименты показали: PrH9 переходит в сверхпроводящее состояние при температуре -264°C. Этот порог ниже, чем у известного ранее гидрида лантана (LaH10). Исследователи объяснили такую разницу уникальными свойствами атомов празеодима: в отличие от его “соседей” по таблице Менделеева, атомы этого металла обладают небольшими магнитными моментами, которые частично препятствуют появлению сверхпроводимости, тем самым понижая критическую температуру.
Теоретические и технологические выводы
Руководитель исследовательской группы, Артем Оганов, отметил важные результаты работы:
— Во-первых, ученые доказали возможность образования необычных, "запрещённых" с точки зрения классической химии соединений, где элемент может связываться с числом атомов, не соответствующим его традиционной валентности.
— Во-вторых, коллектив установил: металлы из так называемого “пояса лабильности” в таблице Менделеева, расположенного между II и III группами, наиболее пригодны для получения новых сверхпроводников.
Среди лантаноидов наибольший потенциал для подобных исследований сейчас демонстрируют лантан и церий, поэтому дальнейшие опыты будут развиваться именно в этом направлении.
Оптимистичный взгляд в будущее
Значимость работы команды Сколковского института науки и технологий и их зарубежных партнеров трудно переоценить. Находка демонстрирует, что границы привычных химических представлений можно смещать с помощью новых технологий и глубокого теоретического анализа. Впереди открываются большие перспективы, ведь накопленные данные позволят разработать эффективные методы синтеза новых высокотемпературных сверхпроводников.
Полученный опыт и фундаментальные открытия дадут мощный импульс поиску и созданию материалов, способных работать при все более высоких температурах. Это может привести к революции в энергетике, транспорте и наукоемких отраслях промышленности, где сверхпроводящие материалы открывают совершенно новые горизонты.
Не исключено, что подобные открытия в ближайшем будущем принесут плоды в виде прорывных технологий, значительно упростят доступность сверхпроводимости и сделают возможным создание новых устройств, меняющих повседневную жизнь человечества.
Изображение — логотип Сколковского института науки и технологий
Источник: scientificrussia.ru
