Новости химической науки > Аммиак при большом давлении образует ионный лед

Исследователи из Франции продемонстрировали, что аммиак, находящийся под огромным давлением, сначала теряет устойчивость, а затем формирует твердую фазу с ионной структурой [1]. Возможность реализации такого перехода была предсказана в 2008 году теоретически, однако до настоящего времени так и не была доказана экспериментально.

Хорошо известно, что при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении аммиак (NH₃) газообразен. Его низкотемпературная твердая фаза представляет собой типичную молекулярную кристаллическую решетку, в которой молекулы аммиака связаны водородными связями, прочность которых, однако, меньше прочности водородных связей, реализующихся в кристалле льда. Однако поведение аммиака в других уголках Вселенной может отличаться от привычного нам «земного» поведения – например, интересно было бы выяснить, как аммиак ведет себя при исключительно высоких значениях температуры и давления, которые, например, характерны для ядер таких планет, как Уран и Нептун.

При высоких температурах и давлениях аммиак формирует ранее не описанную суперионную структуру. (Рисунок из arXiv:1401.1419v1)

Исследователи из групп Сандры Нине (Sandra Ninet) и Фредерика Дачи (Frederic Datchi) из Института Минералогии и Физики Конденсированного Вещества продемонстрировали, что при температуре выше 750 K и давлениях, превышающих 60 ГПа, молекулы аммиака диссоциируют, образуя «горячий лед» – суперионную фазу, состоящую из NH₃, NH₄⁺ и NH₂^–, которая одновременно проявляет свойства и твердого кристаллического и жидкого состояний [2].

В 2008 году на основании теоретических расчетов было предсказано, что при низкой температуре и очень высоком давлении аммиак может переходить в твердое фазовое состояние, содержащее чередующиеся слои ионов NH₄⁺ и NH₂^– [3]. Нине и Дачи приводят убедительные экспериментальные доказательства в пользу этой теоретической модели. Исследователи использовали ячейку – алмазную наковальню, чтобы сжать аммиак при комнатной температуре и давлении 194 ГПа (это давление в 1,5 миллиона раз превышает атмосферное давление).

Как отмечают исследователи, при давлении выше 150 Гпа, наблюдаются значительные изменения в картине спектров ИК и комбинационного рассеивания, что однозначно позволяет судить о том, что при высоком давлении образуется новая фаза. Так, полоса поглощения с частотой 2500 см^–1 (спектр ИК) не может проявляться в молекулярном аммиаке, но при этом она указывает на наличие в системе ионов аммония NH₄⁺.

Тем не менее, зарегистрированные спектры лишь частично согласуются с теоретическими предсказаниями. По спектрам можно судить об образовании фазы с ионным характером, однако они не соответствуют на 100% кристаллической структуре, предсказанной теоретически. Дальнейшие расчеты, проведенные с учетом экспериментальных данных, помогли оптимизировать модель и сделать вывод о том, что в образующейся при высоком давлении ионной фазе присутствуют две различные кристаллические формы аммиака.

Как отмечает Артем Оганов (Artem Oganov) из Университета Нью-Йорка, также изучающий влияние высокого давления на материалы, весьма приятно осознавать, что эксперимент подтверждает прогнозы, полученные с помощью моделирования. Он добавляет, что самопроизвольная ионизация может довольно часто протекать при повышенном давлении, возможно из-за того, что такая ионизация слегка уменьшает силу межатомного отталкивания и способствует уменьшению среднего значения объема атома. Оганов добавляет, что результаты исследования могут помочь в понимании того, что происходит в глубине газовых планет, состоящих из метана, аммиака и воды.

В дальнейших планах Нине и Дачи корректировка диаграммы фазового состояния аммиака и поиски четкой границы между ионной и суперионной фазами этого вещества.

Источники: [1] arXiv:1401.1419v1; [2] Phys. Rev. Lett., 2012, 108, 165702 (DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.165702); [3] Nat. Mater., 2008, 7, 775 (DOI: 10.1038/nmat2261)

метки статьи: #неорганическая химия, #физическая химия, #химия твердого тела