Silicium-Paradox: Wissenschaftler von NUST MISIS finden ein Material, das den Gesetzen der modernen Chemie widerspricht

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MOSKAU, November 19, 2018 /PRNewswire/ --

Ein internationales Team von Physikern und Materialwissenschaftlern von NUST MISIS, dem Bayerischen Geoinstitut (Deutschland), der Universität Linköping (Schweden) und dem California Institute of Technology (USA) hat "unmögliche" Modifikationen von Siliciumdioxid-Coesit-IV und Coesit-V, Materialien, die eigentlich gar nicht existieren können, entdeckt. Ihre Struktur zeigt die Ausnahme von den chemischen Grundgesetzen für die Bildung chemischer Bindungen in anorganischen Materialien, die von Linus Pauling postuliert wurden und für die ihm 1954 der Nobelpreis für Chemie verliehen wurde. Die Forschungsergebnisse wurden am 15. November 2018 in Nature Communications veröffentlicht.   

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     (Photo: https://mma.prnewswire.com/media/786111/Igor_Abrikosov.jpg )

Gemäß den Pauling'schen Regeln sind die Fragmente des Atomgitters in anorganischen Materialien durch "Scheitelpunkte" verbunden, da das Verbinden mit Flächen der energieintensivste Weg ist, eine chemische Verbindung herzustellen und daher in der Natur nicht existiert. Wissenschaftler haben jedoch experimentell und theoretisch mit dem Supercomputer von NUST MISIS bewiesen, dass es möglich ist, solche Verbindungen herzustellen, wenn die Materialien unter extrem hohen Druckbedingungen stehen. Die so erzielten Ergebnisse eröffnen einen völlig neuen Weg in der Entwicklung der modernen Materialwissenschaft, solange eine grundlegend neue Materialklasse nur unter extremen Bedingungen existiert.

"In unseren Forschungsarbeiten haben wir metastabile Phasen von Hochdruckkieselsäure, Coesit-IV und Coesit-V synthetisiert und beschrieben: Ihre Kristallstrukturen unterscheiden sich drastisch von den zuvor beschriebenen Modellen." -Igor Abrikosov, Leiter des Theoretical Research Teams, Professor, Leiter des NUST MISIS-Labors für die Modellierung und Entwicklung neuer Materialien. "Zwei neu entdeckte Coesite enthalten Oktaeder SiO6, die entgegen der Pauling'schen Regel durch eine gemeinsame Fläche verbunden sind, was für eine chemische Verbindung am energieintensivsten ist. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die möglichen silikatischen Magmen im unteren Erdmantel komplexe Strukturen haben können, durch welche sich diese Magmen stärker komprimieren lassen, als bisher angenommen."

Das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Igor Abrikosov (NUST MISIS, Russland, Universität Linköping (Schweden)) konzentriert sich auf die Untersuchung der Materialien, wenn diese unter extrem hohem Druck stehen. Ein Material in solch extreme Bedingungen zu versetzen, ist eine der vielversprechendsten Möglichkeiten, qualitativ neue Materialien zu schaffen, die neue fantastische Möglichkeiten eröffnen könnten. In einer der jüngsten Veröffentlichungen haben Wissenschaftler beispielsweise über die Bildung von Nitriden berichtet, deren Bildung zuvor nicht möglich war.

Informationen über die Struktur und die mechanischen Eigenschaften von Siliciumoxid sind für das Verständnis der Vorgänge im Erdmantel unseres Planeten von entscheidender Bedeutung. Bei der Untersuchung der Struktur des Materials, das bei extrem hohen Temperaturen und Drücken tief im Erdinneren vorhanden ist, haben Wissenschaftler entdeckt, dass eine spezielle Modifikation von Siliciumoxid - Polymorph-Coesit unter einem Druck von 30 GPa eine Reihe von Phasenübergängen durchläuft und neue Phasen ("Coesit-IV" und "Coesit-V") formen, die Tetraeder SiO4 als Hauptstrukturelemente des Kristallgitters erhalten.

In den neuen Experimenten gingen die Wissenschaftler noch weiter, indem sie Siliciumoxid in einem Diamant-Amboss unter einem Druck von mehr als 30 GPa komprimierten und Strukturänderungen in dieser Phase durch Einkristall-Röntgenbeugung beobachteten. Die Ergebnisse sind überraschend: Diese strukturellen Veränderungen bilden eine Ausnahme der Pauling'schen Regeln.

Wissenschaftler haben zwei absolut neue Modifikationen von Coesit (Coesit-IV und Coesit-V) entdeckt, deren Strukturen (Abbildung 1) aus klassischer Sicht der Kristallchemie außergewöhnlich und "unmöglich" sind: Sie haben pentakoordiniertes Silicium, benachbarte Oktaeder SiO6 und bestehen aus vierfach, fünffach und sechsfach koordiniertem Silicium gleichzeitig. Darüber hinaus verbinden sich mehrere Fragmente des Atomgitters durch Flächen, nicht durch Scheitelpunkte, was nach den Regeln von Pauling unmöglich ist.