Гидрид золота: как ученые впервые соединили золото и водород в экстремальных условиях
Представьте себе золото. Веками оно было символом постоянства, богатства и, что важнее для науки, химической инертности. Оно не ржавеет, с трудом вступает в реакции и сохраняет свой блеск тысячелетиями. Именно поэтому алхимики так бились над его созданием, а химики — ценили его предсказуемую «скуку».
А теперь представьте, что ученым удалось заставить этот образец стабильности вступить в союз с самым простым и активным элементом во Вселенной — водородом. И сделали они это совершенно случайно.
Недавнее открытие, сделанное международной командой в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, — это не просто получение нового экзотического материала. Это история о том, как научная случайность заставляет нас пересмотреть фундаментальные правила химии и заглянуть в условия, существующие в недрах планет-гигантов и в термоядерном пекле звезд.
Эксперимент, который пошел не по плану
Все началось с вполне конкретной задачи: создать искусственные алмазы. Ученые взяли простые углеводороды и решили подвергнуть их поистине адским условиям. С помощью устройства под названием «алмазная наковальня» — представьте себе тиски, где вместо губок два идеальных алмаза — они сжали образец до давлений, превосходящих те, что царят в мантии Земли. Затем, используя мощнейшие импульсы рентгеновского лазера European XFEL, они разогрели его до температуры свыше 1900 °C.
В этой экстремальной установке была и одна техническая деталь: тонкая золотая фольга. Её роль была сугубо утилитарной — поглощать рентгеновские лучи и равномерно прогревать образец. От золота не ждали никаких сюрпризов. Оно было просто инструментом.
Результаты оказались ошеломляющими. Да, как и ожидалось, углерод в образцах перестроился в кристаллическую решетку алмаза. Но приборы зафиксировали и нечто совершенно неожиданное — странный сигнал, которого там быть не должно. Анализ показал невероятное: атомы водорода, вырвавшиеся из углеводородов, прореагировали с «неприкосновенной» золотой фольгой, образовав гидрид золота (AuH).
«Это было неожиданно, поскольку золото обычно считается химически очень скучным», — признается руководитель исследования Манго Фрост. По сути, инструмент, который должен был быть пассивным наблюдателем, вдруг стал главным героем эксперимента.
Что такое «суперионный» водород и при чем тут золото?
Чтобы понять, что же произошло, нужно погрузиться в мир экстремальной физики. В условиях колоссального давления и жара вещество ведет себя совсем не так, как мы привыкли. Водород перешел в так называемое суперионное состояние.
Что это значит? Представьте себе твердую кристаллическую решетку золота. А теперь вообразите, что атомы водорода, лишившись своих электронов, превратились в протоны и начали свободно «течь» сквозь эту золотую решетку, словно вода сквозь губку. Эта текучая смесь ионов водорода внутри твердого каркаса из золота и есть суперионное состояние.
Именно здесь золотая фольга из простого инструмента превратилась в бесценного «свидетеля». Изучать легчайший водород напрямую с помощью рентгена крайне сложно — он почти не рассеивает лучи. Но когда его подвижные ионы начали взаимодействовать с тяжелыми, неповоротливыми атомами золота, они заставили всю решетку «вибрировать» и рассеивать рентгеновские лучи иначе. Наблюдая за изменениями в поведении золота, ученые смогли косвенно понять, что творит водород.
Это открытие — настоящий прорыв. Гидрид золота стал уникальной моделью для изучения плотного водорода — состояния материи, которое до сих пор было преимущественно теоретическим.
От лаборатории к звездам: зачем это нужно?
Казалось бы, какое практическое значение имеет кусочек экзотического материала, который стабилен лишь доли секунды при немыслимых условиях? Огромное. Это исследование открывает сразу несколько захватывающих направлений.
- Заглянуть внутрь планет. Недра газовых гигантов вроде Юпитера и Сатурна состоят преимущественно из водорода, сжатого до невероятных плотностей. Лабораторное создание и изучение гидрида золота позволяет в миниатюре смоделировать эти условия и лучше понять процессы, формирующие миры в нашей и других солнечных системах.
- Помочь термоядерному синтезу. Управляемый термоядерный синтез — святой Грааль современной энергетики. Его суть — заставить ядра водорода сливаться, как это происходит в Солнце. Понимание того, как ведет себя водород в экстремальных состояниях, критически важно для создания и управления будущими термоядерными реакторами.
- Рождение новой химии. Пожалуй, главный вывод этой работы лежит за пределами астрофизики или энергетики. Если даже золото — эталон химической стойкости — может образовывать соединения под давлением, что можно сказать о других элементах? Мы привыкли к правилам химии, которые работают в нашем уютном мире при атмосферном давлении. Но там, где давление и температура выходят на первый план, эти правила начинают давать сбой. Открывается целая новая область — «химия экстремальных состояний», где могут существовать материалы с невообразимыми свойствами.
Интересно и то, что гидрид золота оказался нестабильным. Как только давление и температура спадали, он тут же распадался обратно на золото и водород. Это подчеркивает, насколько чуждыми для нас являются условия, в которых он рождается.
Эта история — прекрасная иллюстрация того, как работает настоящая наука. Она не всегда движется по прямому пути от гипотезы к подтверждению. Иногда самые важные открытия поджидают там, где их совсем не ждешь, — в аномалии на приборах, в побочном продукте, в поведении материала, от которого требовалось лишь одно: не мешать. Случайное наблюдение заставило ученых пересмотреть границы возможного и открыло окно в новую, удивительную вселенную химии.
