Когда вы сжимаете что-либо, вы обычно ожидаете, что оно сожмется, особенно когда давление действует равномерно со всех сторон. Однако есть материалы, которые под действием гидростатического давления слегка удлиняются в одном или двух направлениях. Во время поиска оптимальных соединений для хранения водорода в Институте физической химии Польской академии наук (IPC PAS) в Варшаве было сделано случайное, хотя и очень интересное открытие: при повышении давления один из тестируемых материалов внезапно значительно удлинился.«Обычно увеличение размеров, наблюдаемое в материалах с отрицательной сжимаемостью, подверженных высокому гидростатическому давлению, невелико.
Мы говорим здесь о значениях порядка одного процентного пункта или даже меньше. Мы обнаружили материал с очень высокой отрицательной сжимаемостью, т.е. до 10% в одном направлении. Интересно, что удлинение произошло скачком при давлении около 30 тысяч атмосфер », — говорит д-р Тарас Паласюк (IPC PAS).Доктор Паласюк проводит исследования материалов, подвергающихся гидростатическому давлению от одного до нескольких миллионов атмосфер (приставка гидро- означает, что давление действует на материал со всех сторон).
Такие высокие давления создаются в лаборатории с помощью алмазных наковальней, между которыми помещается образец микрометрового размера. Образец находится в уплотнении, обеспечивающем равномерное воздействие давления на исследуемый материал со всех сторон. Чтобы повысить давление, наковальни сжимают винтом. Кристалл рубина, помещенный рядом с образцом, действует как манометр.
Он меняет свой режим флуоресценции в зависимости от оказываемого на него давления.Объем образцов материала, подверженных возрастающему давлению, уменьшается, что связано с уменьшением обычно всех пространственных размеров. Однако есть также нетипичные кристаллические материалы, объем которых уменьшается во время сжатия (потому что согласно термодинамике это должно быть), в то время как кристалл удлиняется в одном или двух направлениях. Механизм, ответственный за это удлинение, всегда имел геометрическую природу: под давлением отдельные элементы кристаллической структуры просто перемещались относительно друг друга в разной степени в разных направлениях.
«В нашей лаборатории, используя лазерный свет, мы проанализировали, как манеры колебаний молекул в кристалле меняются с увеличением давления, и на этом основании мы сделали выводы о структуре материала. Мы быстро обнаружили, что в исследуемом кристалле, который был амидоборан натрия, удлинение нельзя объяснить только изменением геометрии », — говорит аспирант Эвелина Магос-Паласюк, ведущий автор публикации в журнале Scientific Reports.Амидоборан натрия — относительно легко доступное соединение с химической формулой Na (NH2BH3), образующее прозрачные кристаллы с орторомбической структурой. Результаты исследований кристаллов этого соединения, полученные в IPC PAS с помощью рамановской спектроскопии, были сопоставлены с предсказаниями теоретической модели.
Оказалось, что отрицательная сжимаемость кристаллов амидоборана натрия должна быть следствием удлинения химических связей между азотом и водородом, бором и азотом, вызванным резким образованием новых водородных связей между соседними молекулами в кристалле.«Амидоборан натрия, таким образом, является первым известным нам материалом, в котором отрицательная сжимаемость имеет в первую очередь химическую природу», — говорит д-р Тарас Паласюк и подчеркивает, что в отличие от других материалов, в которых симметрия кристаллической структуры изменяется при высоких температурах. давление, в амидоборане натрия нет резких изменений.
Он добавляет: «Наши предварительные результаты, полученные с помощью дифракции рентгеновских лучей в Национальном центре исследований синхротронного излучения на Тайване, также подтверждают, что материал сохраняет свою первоначальную симметрию. размеры здесь происходят в такой резкой манере ».Открытие ранее неизвестного механизма, ответственного за отрицательную сжимаемость, открывает интересные возможности для поиска новых материалов с такими же экзотическими физическими свойствами. Однако о первых приложениях можно думать уже сейчас.
Значительное, резкое и обратимое увеличение длины кристаллов амидоборана натрия при четко определенном давлении делает материал интересным кандидатом, например, для компоненты детекторов определенного порогового давления ок. 30 тысяч атмосфер (в промышленности используются давления до 300 тысяч атмосфер).
Еще одним потенциальным применением амидоборана натрия могут быть активные пуленепробиваемые жилеты, которые будут вести себя как подушки безопасности в автомобиле под воздействием резкого повышения давления, вызванного ракетным ударом.