Многоликий бор
Интернациональный коллектив ученых заставил химически чистый бор обрести кристаллическую структуру
Физики из Соединенных Штатов, Франции и Италии синтезировали и объяснили ранее невиданное состояние кристаллического бора. Это сообщение 28 января появилось на интернет-сайте журнала Nature. С американской стороны эту работу возглавил профессор университета штата Нью-Йорк в Стони Брук Артем Оганов. Он дал нашей редакции эксклюзивное интервью, в котором очень подробно рассказал не только о научных, но и человеческих аспектах этого открытия. В качестве введения стоит отметить, что история исследования бора и вообще-то полна неожиданностей. Впервые его выделили в 1808 году сразу трое ученых – англичанин Хэмфри Дэви и французы Жозеф Луи Гей-Люссак и Луи Жак Тенар. Вопрос о его природе висел в воздухе до тех пор, пока в 1824 году шведский химик и минералог Йенс Якоб Берцелиус не пришел к заключению, что новооткрытое вещество надо считать отдельным элементом, а не соединением. Однако на самом деле на протяжении всего 19 столетия в химических лабораториях работали только с образцами бора, чрезвычайно сильно загрязненными различными примесями. Лишь в 1909 году американский химик Уильям Вейнтрауб получил бор 99-процентной чистоты. Позднее было доказано, что этот элемент может иметь множество различных кристаллических структур, которые опять-таки очень сильно зависят от наличия примесей. Новое исследование показало, что бор все еще не перестал удивлять исследователей. Вот что рассказал профессор Оганов: Артем, Вы и Ваши коллеги получили новую кристаллическую структуру бора. Чем она отличается от всех остальных? Если коротко, то она представляет из себя ионный кристалл. Это означает, что некоторые атомы бора несут положительный электрический заряд, а некоторые – отрицательный. В данном случае это обстоятельство увеличивает устойчивость кристаллической решетки. Конечно, кристаллы с ионной связью широко известны. Однако до сих пор считалось, что в их состав всегда входят атомы различных элементов – как минимум двух. Таковы, например, кристаллы обычной поваренной соли, которые состоят из атомов натрия и хлора. Атомы натрия отдают электроны, атомы хлора их принимают, из-за этого и возникают заряды разных знаков. А мы теперь обнаружили, что атомы бора способны укладываться в кристаллическую решетку, в которой тоже образуются зоны положительного и отрицательного электрического заряда. Правда, эта решетка отнюдь не отличается простотой. Дело в том, что заряды переносятся не между отдельными атомами, как у хлористого натрия, а между группами атомов – на профессиональном языке, кластерами. Кластеры одного типа состоят из двенадцати атомов, другого – только из двух. Большие кластеры имеют структуру икосаэдров, правильных многоугольников с двенадцатью вершинами – на иллюстрации они имеют фиолетовую окраску. Малые кластеры представлены оранжевым цветом и похожи на гантели. Те и другие обладают очень непохожими электронными структурами и по этой причине несут заряды различных знаков. Так и возникает ионный кристалл на основе чистого бора. Наверное, он имеет немало необычных свойств? Конечно. Во-первых, бор в этом состоянии поглощает инфракрасное излучение. На такое в принципе способны только кристаллические решетки, в которых имеется перенос заряда. Во-вторых, все обычные фазы бора под давлением порядка полутора миллионов атмосфер обретают металлические свойства. Наша фаза, напротив, не металлизуется практически никогда – если ее сжать слишком сильно, она попросту разрушится. Это нетрудно объяснить. Чтобы кристаллическая решетка стала металлом, электроны должны свободно перескакивать между отдельными атомами. При сильном сжатии атомы нормальных кристаллов бора сближаются настолько, что такие прыжки делаются возможными. А наш ионный кристалл пронизан локальными электрическими полями, которые практически полностью блокируют такие прыжки при любых давлениях. Новая фаза к тому же держит первое место по твердости среди всех кристаллов бора. Их твердость лежит в диапазоне 40-45 гигапаскалей, а у нашей фазы она составляет 50 гигапаскалей. Плотность этой фазы также максимальна. Как же можно изготовить ионный кристалл бора? Для этого надо приложить давление более ста тысяч атмосфер и одновременно нагреть заготовку до полутора-двух тысяч градусов. Однако эти экстремальные условия нужны только в процессе получения кристалла. В готовом виде он вполне устойчив, его и в руках можно подержать. Надо отметить, что полуфабрикат должен состоять из практически совершенно беспримесного бора, иначе ничего не выйдет. Бор такой чистоты сейчас выпускается химической промышленностью и стоит дороже золота, где-то около тысячи долларов за один грамм. А сколько всего кристаллических модификаций имеет бор? До нашей работы их было известно шестнадцать. Однако, скорее всего только три структуры состоят из чистого бора, остальные же стабилизированы примесями, которые иногда присутствуют в очень малых количествах. При этом зачастую очень трудно не только измерить концентрации примесных атомов, но даже установить их присутствие. Так ли это на самом деле, пока точно не известно. Бор ведь очень легкий элемент, в Периодической системе он стоит всего лишь на пятом месте. Примеси, которые меняют свойства его кристаллов, тоже состоят из элементов с небольшими номерами – скажем, кислорода, азота и углерода. Малые концентрации таких примесей очень трудно обнаружить, поэтому проверка бора на химическую чистоту представляет из себя куда как нелегкую задачу. Честно говоря, даже точно не знаю, как это делается. Фирмы-производители гарантируют нужную степень чистоты, этого достаточно. Артем, Вы ведь теоретик, с аппаратами не работаете. Вы и Карло Готти из Миланского университета объяснили свойства новой фазы бора, но получили-то ее другие, не так ли? Именно так. Синтез ионных кристаллов бора был независимо выполнен на обоих берегах Атлантики. В Америке это сделал Джиухуа Чен, который тогда работал в Стони Брук, а затем перешел во Флоридский интернациональный университет. Во Франции эти исследования возглавил Владимир Соложенко из Парижского университета. Воспоминаниями не поделитесь? Да, с удовольствием. Чен начал свои эксперименты где-то в 2004 году. Он понял, что получил ранее неизвестную фазу бора, но никак не мог расшифровать ее структуру и в начале 2006 года обратился ко мне за помощью. Я эту задачу решил и одновременно пришел к заключению, что мы имеем дело с ионным кристаллом. Чен подтвердил мои выводы, доказав, что этот кристалл поглощает инфракрасные лучи именно так, как предписывает теория. А вот дальше начался чистый детектив. Ну, это всегда интересно. Еще как. Мы изложили свои результаты в статье, которую сначала послали в журнал Science. Там ее отклонили уже через несколько дней, причем по весьма занятной причине. Редактор почему-то счел, что бор нужной чистоты изготовить невозможно, а потому наши выводы не имеют смысла. Переубедить его не удалось, и в январе позапрошлого года мы отправили статью в Nature. Тамошние рецензенты тоже никак не могли поверить, что мы работали с чистым бором, их пришлось очень долго убеждать. Как раз когда мы этим занимались, мне довелось съездить в Париж, где я зашел в гости к Владимиру Соложенко. Мы говорили о разных разностях, и он упомянул, что его группа получила любопытные результаты по бору. Я тут же за это уцепился, и мы скоро заподозрили, что скорее всего речь идет о той же самой модификации. Естественно, мы стали обсуждать его результаты в деталях. И вот тут оказалось, что группа Соложенко уже нашла ответы на все вопросы, которые интересовали рецензентов Nature. Тогда мы решили объединить усилия и сделали совместную публикацию, которая только что появилась на сайте этого журнала. Что дает Ваша работа химии? Видите ли, до сих пор не было ясности в том, как ведет себя бор при разных температурах и давлениях. По абсолютному большинству элементов такая информация давно собрана, а вот по бору она содержала много белых пятен. Теперь благодаря открытию новой модификации бора основные дыры удалось заполнить. Пожалуй, это и можно назвать самым важным итогом нашей работы. В таком случае, позвольте Вас поздравить. И большое спасибо за беседу.