Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.«Меньшие газовые гиганты — Уран и Нептун — состоят в основном из углерода, водорода и кислорода. Мы обнаружили, что при давлении в несколько миллионов атмосфер в их недрах должны образовываться неожиданные соединения.
Ядра этих планет могут в значительной степени состоять из них. экзотические материалы », — говорит заведующий лабораторией открытия вычислительных материалов, профессор Артем Р. Оганов.Команда под руководством профессора Оганова разработала самый универсальный и мощный в мире алгоритм для предсказания кристаллической структуры и соединений — USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography). В последние годы ученые использовали этот алгоритм, чтобы обнаружить несколько веществ, которые «запрещены» в классической химии и могут быть стабильными при высоких давлениях.
К ним относятся ряд ранее неизвестных вариантов солей — Na3Cl, NaCl3, NaCl7 и даже Na3Cl2 и Na4Cl3, а также новые экзотические оксиды магния, кремния и алюминия, которые могут существовать в недрах суперземель.Теперь Габриэле Салех (первый автор этого исследования) из МФТИ и Оганов решили изучить химическое поведение системы углерод-водород-кислород под высоким давлением. «Это чрезвычайно важная система, потому что вся органическая химия« зиждется »на этих трех элементах, и до сих пор не было до конца ясно, как они ведут себя при экстремальных давлениях и температурах.
Кроме того, они играют важную роль в химии планеты-гиганты », — говорит Оганов.Ученые знали, что при атмосферном давлении все соединения углерода, водорода и кислорода, кроме метана, воды и углекислого газа, термодинамически нестабильны.
При повышении давления вода и углекислый газ остаются стабильными, но при давлении выше 93 гигапаскалей (0,93 миллиона атмосфер) метан начинает разлагаться с образованием тяжелых углеводородов — этана, бутана и полиэтилена. При более низком давлении — примерно 4 ГПа — метан и молекулярный водород взаимодействуют, образуя сокристаллы (где две молекулы вместе создают одну кристаллическую структуру), а при 6 ГПа гидраты — кристаллы CO, состоящие из метана и воды — сформированы. Чтобы представить это в контексте А, давление на дне Марианской впадины (самой глубокой части мирового океана) составляет 108,6 мегапаскалей, что в тысячу раз ниже.Оганов и Салех взяли на себя задачу найти все стабильные соединения в диапазоне до 400 ГПа (около 4 миллионов атмосфер) и обнаружили несколько новых веществ.
К ним относятся клатрат (соединение включения, разновидность сокристалла) молекулярного водорода и метана 2CH4: 3H2, который стабилен в диапазоне давлений 10-215 ГПа.Ученые также обнаружили, что при давлении выше 0,95 ГПа (примерно 10 000 атмосфер) угольная кислота (H2CO3) становится термодинамически стабильной. Это очень необычно для вещества, которое очень нестабильно в обычных условиях — для его синтеза необходимы сильные кислоты, а оно может существовать только в вакууме при очень низких температурах, пишут авторы.Внутри ледяных спутников планет-гигантов, таких как спутник Юпитера Европа, есть условия, при которых может образовываться углекислота.
Снаружи они покрыты толстым слоем льда, а под ним — океан, окружающий скалистое ядро. По мнению многих ученых, в этих океанах нельзя исключать наличие жизни.«Ранее считалось, что океаны на этих спутниках находятся в прямом контакте со скалистым ядром, и между ними произошла химическая реакция.
Наше исследование показывает, что ядро ??должно быть« обернуто »слоем кристаллизованной угольной кислоты, что означает, что реакция между ядром и океаном была бы невозможна », — говорит Оганов.Когда давление повышается до 44 ГПа, угольная кислота превращается в полимер, который остается стабильным, по крайней мере, до 400 ГПа. Кроме того, при 314 ГПа возможна экзотермическая реакция между угольной кислотой и водой, в результате чего образуется ортокарбоновая кислота (H4CO4). Ученые пока не смогли получить это соединение в лабораториях, поскольку оно крайне нестабильно.
Молекулярная структура ортокарбоновой кислоты напоминает свастику, поэтому ее иногда называют «кислотой Гитлера».«Не исключено, что ядра Нептуна и Урана могут содержать значительные количества полимера угольной кислоты и ортоуглеродной кислоты», — говорит Оганов.