• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
06.08.2024
Сколтех
191

Предложен новый метод определения атомных зарядов в материалах

❋ 4.4

Исследователи из Сколтеха, Уральского федерального университета и Института физики металлов имени М. Н. Михеева УрО РАН представили фундаментальное теоретическое описание важных свойств химической связи в материалах, предложив способ определения атомных зарядов и выделения ионной и ковалентной составляющих в энергии химической связи. Выводы ученых служат убедительным обоснованием традиционных представлений о химической связи, основанных на понятии электроотрицательности. Однако в ходе исследования выявлен и противоречащий химической интуиции аномальный случай в виде полупроводникового соединения — фосфида бора.

В кристалле фосфида бора каждый атом имеет связи с четырьмя соседними атомами. В отсутствии инверсии заряда у атомов было бы только по три связи. Авторы исследования предложили принципиально новую теоретическую модель, позволяющую учесть инверсию заряда / © Изображение создано нейросетью Deep Dream Generator

Результаты исследования опубликованы в The Journal of Chemical Physics. С начала XX века ученые пытались объяснить свойства молекул и кристаллов через химическую связь — свойство атомов притягиваться друг к другу за счет перераспределения внешних электронов. Было установлено, что существуют различные типы связей. Например, при ковалентной связи два атома делят между собой общую электронную пару, которая и удерживает их вместе.

Впоследствии оказалось, что атомов может быть не два, а больше. Такая связь между множеством атомов называется металлической. Известен и обратный случай, когда у двух атомов могут быть две и более общих электронных пар. В случае ковалентной полярной связи общая электронная пара смещается в сторону более электроотрицательного атома, и тогда образуются два противоположно заряженных иона, которые удерживаются вместе ионной связью.

«Рассмотрим связь, которая в материале удерживает атомы вместе. От степени ковалентности или ионности этой связи, или другими словами, от зарядов атомов, будет зависеть большинство свойств этого материала», — рассказывает соавтор исследования, руководитель Лаборатории дизайна материалов Сколтеха, заслуженный профессор Артем Оганов. «Проблема в том, что за последнее столетие было предложено так много способов определения атомных зарядов, что до сих пор ученые не пришли к единому мнению о том, как это лучше делать и какие численные значения заряда считать корректными».

Существует ряд подходов, в которых атомный заряд определяют через свойства материала, которые поддаются измерению, например, количество энергии, затрачиваемой на разрыв связи. Другие подходы основаны на использовании математической операции интегрирования распределения электронной плотности по объему атома, но и в этом случае однозначного определения пока не найдено. Существует также несколько подходов, где используются волновые функции атомов — базовые характеристики атомов в задачах квантовой механики. Здесь также существует множество способов анализа волновой функции, измерить которую непосредственно в эксперименте невозможно.

«В нашем методе, главным создателем которого является классик современной физики твердого тела Владимир Анисимов, используется формальное математическое описание так называемых функций Ванье, которые позволяют описать химическую связь в кристалле или молекуле на основе электронных орбиталей, максимально приближенных к атомным», — добавляет профессор Оганов.

«С помощью нашего метода можно неэмпирическим путем определить атомные заряды и выделить ковалентную и ионную составляющие в энергии связи. Полученные результаты хорошо согласуются с химической интуицией. Исключением стал лишь кристалл фосфида бора, у которого атомные заряды оказались инвертированными».

Известно, что аналогичная картина инверсии наблюдается у молекулы угарного газа, состоящей из одного атома кислорода и одного атома углерода. Поскольку кислород обладает более высокой электроотрицательностью, чем углерод, логично предположить, что он будет сильнее притягивать к себе общую электронную пару: у кислорода возникнет частично отрицательный заряд, а у углерода — частично положительный. Однако в реальности происходит обратное. Похожая ситуация возникает и в случае атомов бора и фосфора, образующих кристалл фосфида бора ВР в соотношении один к одному. Несмотря на то что фосфор более электроотрицателен, чем бор, последний в итоге получает частично отрицательный заряд. Почему так происходит?

Этот феномен объясняется тем, что в обоих случаях невыгодный с энергетической точки зрения перенос электронов позволяет получить более прочную ковалентную связь, тем самым с лихвой компенсируя потери в энергии. В молекуле угарного газа из-за инверсии заряда образуется очень прочная тройная связь между кислородом и углеродом. Если бы атомы не пошли на эту «энергетическую жертву», то связь была бы только двойной. Таким же образом в фосфиде бора фосфор отдает один электрон бору, в результате чего у этих двух атомов оказывается по четыре валентных электрона, с помощью которых они создают ковалентные связи с соседями по кристаллической структуре. В противном случае и у бора, и у фосфора было бы всего по три связи на атом, что с энергетической точки зрения менее выгодно.

Любопытно, что инверсия заряда в фосфиде бора была предсказана еще двадцать лет назад в так называемых динамических зарядах Борна, которые с физической точки зрения имеют совершенно иную природу. Предложенный учеными метод универсален, а значит, он поможет лучше понять характер химической связи в самых разных химических соединениях. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 11:17
Юлия Тарасова

Результаты эксперимента в США в будущем могут позволить добиться разрешения на использование отработанной конопли в качестве кормовой добавки в животноводстве.

Вчера, 09:51
КБГУ

Кавказ — один из мировых лидеров по числу долгожителей. Ученые КБГУ задались целью выяснить, что позволяет людям в Кабардино-Балкарии жить так долго и сохранять активность. Работа исследователей открывает новые перспективы в понимании процессов старения и разработке стратегий для продления жизни.

1 июля, 11:00
НИУ ВШЭ

Сверхпроводимость — особое состояние материала, при котором электрический ток проходит через него без потерь энергии. Обычно в материалах с дефектами она возникает при очень низких температурах и в несколько этапов. Международная команда ученых, включая физиков МИЭМ ВШЭ, показала: если дефекты распределены внутри материала не случайно, а по определенной схеме, сверхпроводимость возникает при более высокой температуре и охватывает весь материал. Данные могут помочь в создании сверхпроводников, работающих без экстремального охлаждения.

28 июня, 18:58
Игорь Байдов

За последние 30 лет размер трески, обитающей в Балтийском море, значительно уменьшился. Если раньше рыбаки вылавливали из воды особей размером с маленького ребенка, то теперь добытая рыба легко помещается в ладонях. Авторы нового исследования винят в этом человека, который заставил один из видов эволюционировать в «карликов».

Вчера, 11:17
Юлия Тарасова

Результаты эксперимента в США в будущем могут позволить добиться разрешения на использование отработанной конопли в качестве кормовой добавки в животноводстве.

27 июня, 09:47
Авдей Палиш

Снимки с фотоловушек давно стали культурным явлением. Особенно забавными выглядят медведи. Мы с удовольствием смотрим на зверей, попавших в объектив камер в национальных парках: тигр украл фотоловушку, муравьед проехал верхом на муравьеде и так далее. Но не все животные настолько обаятельные. Ученые из США решили развить эмпатию к гремучим змеям, которых многие боятся. Для этого специалисты запустили трансляцию из «мегалогова», где рептилии отдыхают и рожают потомство.

17 июня, 16:49
Адель Романова

Радиотелескопы уловили очень короткий сигнал, и по его характеристикам стало ясно, что он не может быть естественного происхождения. Астрономы пришли к выводу, что источник находился в околоземном пространстве — там, где уже более полувека летает «мертвый» аппарат NASA.

25 июня, 15:19
ФизТех

Группа российских ученых из Института прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН и МФТИ провела детальное численное исследование источников шума, генерируемых крылом прототипа сверхзвукового бизнес-джета в режиме посадки. Эта работа, сочетающая передовые методы вычислительной гидродинамики и аэроакустики, впервые позволила с высокой точностью локализовать и охарактеризовать основные зоны шумообразования вблизи полноразмерной геометрии крыла модели прототипа сверхзвукового пассажирского самолета в посадочной конфигурации.

5 июня, 13:20
Александр Березин

Вид антилоп, с ледникового периода привыкший к массовым миграциям, пытается вернуться в свой исторический ареал, когда-то достигавший Днепра. Однако их нетипичные для травоядных привычки вызывают сильнейшее отторжение у сельских жителей, предлагающих массово уничтожать их с воздуха. С экологической точки зрения возвращение этих животных весьма желательно, но как примирить их с фермерами — неясно.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Закрыть
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно