Můžeme se těšit na objev… nové chemie?

Extrémně vysoký tlak pomáhá vytvořit nové typy materiálů, které mají překvapivé chemické a fyzikální vlastnosti. Otevírá se nám dokonce úplně nové odvětví chemie. (délka blogu 5 min.) 

Chemie je v podstatě mladší sestra fyziky. Zatímco se fyzika zabývá všeobecným chováním hmoty, věnuje se chemie jejím vzájemným interakcím. 

Chemie … souhra elektronů

Hmota se skládá z atomů, které, jak je všeobecně známo, mají jádro, které obíhá větší nebo menší množství elektronů. Každý jednotlivý chemický prvek má specifické a sobě vlastní množství těchto nepatrných elementárních částic. Fyzikální zákony vnucují elektronům určité orbity - svého způsobu oběžné dráhy. Je tedy jasné, že má každý chemický prvek specifickou konfiguraci elektronů, která se sice vzájemně liší množstvím přítomných elektronů, ne ale svou principiální stavbou. Ty elektrony, které obíhají v největších vzdálenostech od jádra, jsou pak přístupné vlivu cizích chemických prvků a jejich elektronů. Chemické vlastnosti různých látek jsou způsobeny právě takovými hrátkami mezi vnějšími elektrony. 

Před lidstvem se v posledních desetiletích otevírá další odvětví chemie - chemie, která funguje jen při extrémně vysokých tlacích a teplotách. A je to opravdu vzrušující výzkum - zdá se totiž, že se při použití extrémních vnějších podmínek dají ke vzájemné interakci donutit i elektrony, které se v běžných podmínkách chemických reakcí neúčastní. Neznamená to sice, že bychom museli přepisovat učebnice chemie (tak jako se to stává při převratných objevech ve fyzice) - spíše budeme muset vydat … jejich další díly. 

Extrémní tlak - extrémní výsledky

Při tlacích mnohem větších, než jaké se nacházejí na povrchu Země, se hmota chová podivným způsobem. Mění své vlastnosti tak, že si toho nelze nevšimnout. Sodík, který v běžných podmínkách vypadá jako typický kov, například zprůhlední. Vodík, který známe jako plyn, se naopak stává kovem, respektive látkou, která vykazuje vlastnosti kovů. Kovy se naopak mohou stát izolanty a ztratit své vodivé vlastnosti. Vědce fascinují právě tyto přechody mezi izolátory a kovy - a to včetně možné supravodivosti materiálů, vzniklých při vysokém tlaku. 

To ale zdaleka není všechno. Jeden chemický prvek vědce opravdu překvapuje: dusík pod vysokým tlakem najednou začíná být svými chemickými vlastnostmi podobný - uhlíku. 

Pozorný čtenář si teď jistě vzpomene na uhlík, který se účastní tvorby živé hmoty. Je to právě extrémní variabilita uhlíkových vazeb, která dovoluje vznik života a obrovského množství organických molekul. V běžných podmínkách se mu ani vzdáleně nevyrovná žádný jiný chemický prvek. A už vůbec ne dusík, který má v takovém případě tendenci se sdružovat do pevných molekul, skládajících se pouze ze dvou atomů dusíku, provázaných trojnou vazbou. 

Jak vytvořit extrémně vysoký tlak?

Vědci používají tzv. diamantové kovadliny. První taková kovadlina byla vytvořena už v letech 1957-1958. Název “diamantová” není nahodilý. Jsou totiž skutečně zhotoveny z diamantů. První prototypy ještě neuměly kalibrovat tlak, který v nich vznikal, výzkum šel ale rychle kupředu, takže dnes máme k dispozici zařízení, které spolehlivě dosahují i několika set GPa. 

Diamantovou kovadlinu odlišuje od ostatních podobných zařízení jedna důležitá vlastnost - její průhlednost. V praxi to znamená, že vědci mohou zkoumaný materiál sledovat už během pokusu - optický mikroskop jim pomůže určit změny základních optických vlastností, například průhlednosti, barvy, fázových hranic, krystalizace apod. 

Kovadliny se vyrábějí z vysoce kvalitních a čistých diamantů. Mívají  obvykle 16 fazet a váží kolem 1/8 až 1/3 karátu (25 až 70 mg).

Vliv vysokých teplot

Některé experimenty vyžadují nejen vysoké tlaky, ale také ohřev na vysokou teplotu. Ten se obvykle provádí dvěma způsoby - vnějším nebo vnitřním.  

Vnější ohřev bývá prováděn odporovými ohřívači. Výhodou je možnost měřit teplotu poměrně přesně. Teplotní rozsah je ale poměrně omezený. Diamant totiž na vzduchu při 700 °C začíná oxidovat (hořet). Tomu se dá předejít použitím inertní atmosféry (atmosféry z netečných plynů jako je helium nebo argon). Teplota se pak může zvýšit i na 1000 °C. 

Druhý typ ohřevu se provádí například pomocí laserů. Při laserovém ohřevu může vzorek dosáhnout teploty nad 5 000 °C, ale minimální teplota je přibližně 1200 °C a měření je navíc mnohem méně přesné. 

Kombinací obou metod se dají využívat teploty do přibližně 5700 °C. Připomeňme si - jedná se tu už o teploty, srovnatelné s teplotou povrchu Slunce nebo jádra Země. 

Nové materiály

Při experimentech s extrémně vysokým tlakem vznikají zajímavé a svou strukturou úplně nové materiály. Podařilo se například vyrobit boridy rhenia, které mají výborné mechanické vlastnosti. Sloučeniny s dusíkem překvapily svou komplexností. Jako příklad poslouží sloučenina, která dostala název beryllonitren. Ten je podobný grafenu. Na rozdíl od něj má ale ve svém dvoudimenzionálním krystalu mřížku trochu pokřivenou. Očekává se, že podobný materiál může mít využití v kvantových počítačích. Sloučenina existuje totiž nejen při extrémně vysokých tlacích. Formuje se při dekompresi a je tedy stabilní i při běžných podmínkách. 

Nová chemie

Obvykle jsou změny vlastností materiálů pod vysokým tlakem spojeny s modifikacemi v konfiguracích vnějších elektronů (viz horní šedý box). Když vědci experimentovali s osmiem, zjistili ovšem, že je důvodem pozorované změny … interakce mezi vnitřními (jádru blízkými) elektrony. Potvrdily to i teoretické výpočty. To otevírá další kapitoly chemie - chování chemických prvků pod extrémně vysokým tlakem je zjevně jiné, než na jaké jsme zvyklí. 

Naznačuje to také výzkum, který je prováděn na univerzitách v Bayreuthu a Linköpingu. Vědci tam vytvořili pod velmi vysokým tlakem dvě překvapivé sloučeniny dusíku a vzácné zeminy yttria. Nazvali je polynitridy. Obsahují kruhové a spirálovité krystalové struktury dusíku, které nebyly nikdy předtím pozorovány v experimentech nebo předpovězeny v teoretických výpočtech. Vypadají dokonce podobně jako struktury uhlíkových sloučenin v organické chemii. 

A to je opravdu zajímavé. Otevírá se tedy nová, vzrušující chemie - chemie dusíku pod vysokým tlakem. Je fascinující například z toho důvodu, že se dusíku ve vesmíru nachází poměrně velké množství. Je jedním z lehčích chemických prvků, které vznikají běžně v těžkých hvězdách. Pod vysokým tlakem se pak nachází například v nitrech obřích planet typu Jupiteru. Co by to mohlo znamenat, ponechám na vaší fantazii… 

Zdroje:www.sciencedaily.com/releases/2022/08/220804102537.html, Dubrovinsky, L., Khandarkhaeva, S., Fedotenko, T. et al. Syntéza materiálů při terapaskálních statických tlacích. Nature 605 , 274–278 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04550-2