В конце 2013 года с помощью теоретического и экспериментального подходов было показано, что под большим давлением многие соединения, запрещенные классической химией, оказываются стабильными. Это было показано на примере классической системы натрий-хлор (Na-Cl), где были открыты такие вещества, как Na3Cl и NaCl7. С того момента число таких «запрещенных» соединений, которые можно стабилизировать под давлением, быстро растет.

В своей новой работе, та же команда теоретиков (Вейвей Чжанг (Weiwei Zhang), профессор в Китайском Сельскохозяйственном Университете и Артем Оганов, руководитель данного проекта, профессор Сколтеха, МФТИ и Университета Стони Броук (США)) и экспериментаторов (Александр Гончаров, Сергей Лобанов и Элиссеос Ставроу (Elissaios Stavrou) из Института Карнеги в Вашингтоне (США)) изучили систему калий-хлор (K-Cl) и обнаружили еще большее разнообразие «запрещенных» соединений, демонстрирующих стабильность под давлением (например, K3Cl, K2Cl, K3Cl2, K4Cl3, K5Cl4, K3Cl5, KCl3, KCl7). Все эти соединения (кроме фаз KCl3) металлические, в то время классическая химия говорит, что хлориды калия могут быть только ионными. Эти соединения были предсказаны с помощью эволюционного алгоритма USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), разработанного Огановым и затем подтверждены в лаборатории Гончарова в экспериментах под высоким давлением.

Были обнаружены еще два сюрприза. Во-первых, было предсказано, а затем экспериментально подтверждено, что неизвестное ранее соединение KCl3 может существовать при давлениях близких к атмосферным. Во-вторых, было открыто целое семейство двумерных металлических соединений, со структурами похожими на обычный KCl, но с дополнительным слоем атомов К, через который может проходить электрический ток (Рис. 1).

Рис. 1. Кристаллическая структура K5Cl4 с&...

Рис. 1. Кристаллическая структура K5Cl4 с распределением мобильных электронов, показанных «облаками».

«Работать с соединениями Na-Cl и K-Cl было очень захватывающе. Я знала, что мы работаем на пределе химической интуиции, но была удивлена насколько далеко за этими пределами оказались наши результаты,» –говорит профессор Чжанг.

«То, что такие простые системы как Na-Cl и K-Cl демонстрируют столь неожиданную химию значит только то, что в химии еще очень много неизвестного и непонятого, что предстоит изучить и понять, — рассказывает профессор Артем Оганов.

«Эта работа демонстрирует, насколько велика предсказательная мощь современных теоретических методов в материаловедении. Когда мы только начинали работать вместе, я очень скептически относился к такого рода предсказаниям. Но потом я был шокирован, насколько точными оказались предсказания метода USPEX, даже тогда, когда предсказания казались безумными на первый взгляд,» — рассказывает профессор Гончаров.

Результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports of Nature Publishing Group