Соединили несоединимое: создан кристалл из двух металлов

Группа исследователей из трех различных лабораторий США, находящихся в Северо-западном университете и Институте науки Карнеги, впервые в мире объединила в один кристалл два металла, которые до сих пор считались несмешиваемыми — железо и висмут. Их достижение открывает для химиков массу новых возможностей, самая главная из которых — прогресс в высокотемпературной сверхпроводимости. Статью об этом ученые опубликовали в последнем номере журнала Американского химического общества ACS Central Science.

У истоков их эксперимента лежат последние инновации в технологии получения высокого давления, позволяющие получать на алмазной наковальне DAC давления до 640 гигапаскалей, что почти в два раза выше тех, что присутствуют в центре Земли. Это открывает перед химиками целый спектр возможностей искать ответы на вопросы, которые прежде было бессмысленно даже и задавать. Из таких вопросов ученые выбрали самую, по их мнению, «дразнящую» мишень: они решили узнать, что получается при смешении несмешиваемых материалов.

В качестве такой мишени сама собой напрашивалась парочка железо—висмут — два металла, которые не смешиваются настолько, что их никогда и ни при каких обстоятельствах не удавалось до сих пор соединить химическими связями в один кристалл. Неуловимость этой связи имела, по словам ученых, «мириады неприятных последствий», главное из которых — невозможность завершить проверку на высокотемпературную сверхпроводимость серию соединений железа с так называемыми пниктидами.

Пниктидами называют химические элементы 15-й группы периодической таблицы Менделеева (по устаревшей классификации — элементы главной подгруппы V группы) — азот, фосфор, мышьяк, сурьму и висмут. Именно с пниктидов, а точнее, с соединений железа с мышьяком начался в 2005 году таинственный «железный век сверхпроводимости», таинственный в первую очередь потому, что вообще-то в ферромагнетиках сверхпроводимость возникать не должна, так как магнитное поле в обычных условиях убивает сверхпроводимость.

Вообще, с пниктидами из-за токсичности их соединений, а иногда и невозможности работать с ними без специального разрешения, «сверхпроводимщики» идут без большой охоты, предпочитая изучать соединения железа с селеном, серой, теллуром и пр. Но, несмотря на это, соединения железа с пниктидами тоже были в конце концов проверены на сверхпроводимость. В результате у ученых возникло много интересных вопросов, ответы на которые, возможно, кроются в соединении железа с последним пниктидом — висмутом. Проблема состояла в том, что подобные соединения науке известны не были.

Теперь же, при доступности давлений центра Земли, это соединение казалось возможным — недоступную до сих пор химическую связь можно было попробовать в буквальном смысле слова продавить.

В результате земных давлений и не понадобилось — хватило Марса, точнее, давлений в ядре Красной планеты, намного меньших, чем у земного ядра. Раскалив на наковальне DAC смесь железа и висмута до полутора тысяч градусов, температуры, при которой плавится не только легкоплавкий висмут, но и железо, ученые стали ее сдавливать. Вплоть до 20 гигапаскалей и чуть выше ничего не менялось, висмут категорически отказывался от химического контакта с железом. Но при давлении в 30 гигапаскалей ситуация резко изменилась: всего за четыре минуты жидкие фазы железа и висмута образовали соединение с формулой FeBi₂. Ученым также удалось выяснить архитектуру получившейся кристаллической решетки.

Их особенно заинтересовала одна особенность этого соединения. При понижении давления до двух гигапаскалей новое соединение сохраняло стабильность и начинало рассыпаться только при более низких давлениях.

В дальнейшем ученые планируют исследовать сверхпроводящие свойства «железного» висмута. Они также надеются найти условия, при которых химический брак висмута и железа не распадется и при нормальных давлениях.