Kiselparadoxen

En internationell forskargrupp har upptäckt hittills okända faser av kiseldioxid, med bindningar och strukturer som inte ska kunna finnas i naturen. Det teoretiska underlaget har tagits fram under ledning av Igor Abrikosov, professor i teoretisk fysik vid LiU.

Igor Abrikosov Igor Abrikosov Charlotte Perhammar

Den amerikanske forskaren Linus Pauling fick 1954 Nobelpriset i kemi för sina grundläggande teorier kring hur olika material bildas. Teorierna har gett världens materialforskare kunskaper nog för att kunna utveckla nya typer av material med skräddarsydda egenskaper.

Linus Paulings teorier har visat sig gälla fullt ut, även vid praktiska experiment - till nu. En stor grupp av fysiker och materialforskare från Tyskland, Ryssland, USA och Sverige, närmare bestämt Linköpings universitet, har nu såväl teoretiskt som genom praktiska experiment, visat att det finns strukturer av kiseldioxid som inte ska kunna existera enligt Linus Paulings teorier. Resultatet har publicerats i Nature Communications.

Öppnar för helt nya materialklasser

– Detta har stor betydelse eftersom material vi tidigare trodde var alltför instabila för att existera nu visar sig vara möjliga att få fram. Detta är helt nytt för mig, säger Igor Abrikosov, professor i teoretisk fysik vid Linköpings universitet och som leder den teoretiska delen av forskningen.

– Förhoppning är att vi nu kan hitta helt nya materialklasser med unika egenskaper. Upptäckten är även betydelsefull för att förstå de mekaniska egenskaperna och processerna i jordens mantel och vilka egenskaper materialen får under högt tryck, säger han.

Kiseldioxid, SiO2, även kallat kvarts, finns det gott om, såväl på jordytan som i jordens mantel. I ett gitter av atomer i oorganiska material ska, enligt Linus Paulings teorier, de små tetraheder som exempelvis SiO2 och SiO4 består av bindas samman i hörnen (tänk att en tetraeder har sidor, kanter och hörn). Det är det normala och mest energieffektiva sättet att skapa en kemisk bindning.

Hittills omöjliga strukturer

Kiseldioxid i nya faserKiseldioxid i faser omöjliga inom den klassiska keminUnder tryck, upp till 30 GPa, fortsätter kiseldioxiden att formera sig i tetraheder kopplade enligt kemins traditionella lagar. Men när forskarna med hjälp av ett diamantmothåll skapar ett tryck över 30 GPa börjar det hända intressanta saker. Här har forskarna hittat varianter av kiseldioxid med strukturer som är omöjliga enligt den klassiska kemin. De har bland annat funnit strukturer av SiO5 och oktaedrar av SiO6, där polyhederna är tätt sammankopplade sida mot sida. Det är det mest energikrävande sättet att bilda en förening och borde inte kunna förekomma i naturen.

– Våra resultat öppnar en helt ny väg för utvecklingen av modern materialvetenskap. Vi har visat att det finns grundläggande nya materialklasser som uppstår under extrema förhållanden och som vi inte trodde kunde existera, säger Igor Abrikosov, som i många år samarbetat med forskarna vid Bayerisches Geoinstitut i Bayreuth, Natalia Dubrovinskaia och Leonid Dubrovinsky. De båda är sedan 2014 hedersdoktorer vid Linköpings universitet.


Artikeln: Metastable silica high pressure polymorphs as structural proxies of deep
Earth silicate melts, E. Bykova, M. Bykov, A. Černok, J. Tidholm, S. I. Simak, O. Hellman, M.P. Belov, I. A. Abrikosov, H.-P. Liermann, M. Hanfland, V. B. Prakapenka, C. Prescher, N. Dubrovinskaia, L. Dubrovinsky. Nature Communications 2018
DOI 10.1038/s41467-018-07265-z

Kontakt
Visa/dölj innehåll

Nyheter Teoretisk fysik
Visa/dölj innehåll

Strategisk forskning 
Visa/dölj innehåll

Senaste nytt från LiU
Visa/dölj innehåll