На орбіті випадково відкрили нову сполуку металів, яку раніше вважали майже неможливою

Не всі нау­ко­ві від­кри­т­тя є резуль­та­том ціле­спря­мо­ва­них пошу­ків. Іноді вони наро­джу­ю­ться під час ана­лі­зу екс­пе­ри­мен­тів, що про­во­ди­ли­ся зов­сім з іншою метою. Саме так ста­ло­ся з дослі­дни­ка­ми, які пра­цю­ва­ли зі спла­вом мета­лів у мікро­гра­ві­та­ції на китай­ській космі­чній станції.

Після повер­не­н­ня зраз­ків на Землю вони вияви­ли нову інтер­ме­та­лі­чну фазу Cu₂₀Bi₉ — спо­лу­ку міді та вісму­ту, існу­ва­н­ня якої за нор­маль­но­го атмо­сфер­но­го тиску вва­жа­ло­ся пра­кти­чно немо­жли­вим. Результати робо­ти опу­блі­ко­ва­но в жур­на­лі Journal of Applied Physics.

Експеримент був присвячений зовсім іншому

Команда під керів­ни­цтвом про­фе­со­ра Се Веньцзюня з Північно-Західного полі­те­хні­чно­го уні­вер­си­те­ту дослі­джу­ва­ла, як у мікро­гра­ві­та­ції засти­гає роз­плав спла­ву міді, олова та вісмуту.

Головною метою було зро­зу­мі­ти, як від­су­тність зви­чної кон­ве­кції впли­ває на роз­ді­ле­н­ня рід­ких фаз і фор­му­ва­н­ня мікро­стру­кту­ри мета­лу. Пошук нової спо­лу­ки до зав­дань екс­пе­ри­мен­ту не входив.

Неочікувана знахідка після повернення на Землю

Детальний ана­ліз достав­ле­них із космо­су зраз­ків пока­зав наяв­ність нової інтер­ме­та­лі­чної фази Cu₂₀Bi₉.

Це стало неспо­ді­ван­кою, оскіль­ки в систе­мі «мідь — вісмут» за зви­чай­но­го тиску інтер­ме­та­лі­чні спо­лу­ки рані­ше не спо­сте­рі­га­ли­ся. Усі відо­мі ана­ло­ги отри­му­ва­ли лише за умов дуже висо­ко­го тиску.

Саме тому зна­хід­ка при­вер­ну­ла осо­бли­ву увагу матеріалознавців.

Яку роль могла відіграти мікрогравітація

У зви­чай­них умо­вах на Землі рід­кий метал постій­но пере­мі­шу­є­ться через кон­ве­кцію, викли­ка­ну силою тяжіння.

У космо­сі цей про­цес майже від­су­тній, тому кри­ста­лі­за­ція та роз­ді­ле­н­ня ком­по­нен­тів від­бу­ва­ю­ться іна­кше. Завдяки цьому фор­му­є­ться більш одно­рі­дна мікро­стру­кту­ра, яку легше дослі­джу­ва­ти мето­да­ми висо­ко­роз­діль­ної еле­ктрон­ної мікроскопії.

На думку авто­рів робо­ти, саме це й дозво­ли­ло помі­ти­ти фазу, яка в зем­них екс­пе­ри­мен­тах могла зали­ша­ти­ся непоміченою.

Нову фазу вдалося отримати й на Землі

Після від­кри­т­тя дослі­дни­ки змо­гли від­тво­ри­ти утво­ре­н­ня Cu₂₀Bi₉ у лабо­ра­тор­них умовах.

Це озна­чає, що мікро­гра­ві­та­ція не є обо­в’яз­ко­вою умо­вою для існу­ва­н­ня нової спо­лу­ки. Найімовірніше, вона лише ство­ри­ла умови, за яких її було зна­чно про­сті­ше виявити.

Зараз учені нама­га­ю­ться зро­зу­мі­ти, чому нова фаза утво­рю­є­ться саме в тако­му скла­ді роз­пла­ву. Однією з голов­них гіпо­тез є те, що олово вико­нує роль своє­рі­дно­го «посе­ре­дни­ка» під час фор­му­ва­н­ня кри­ста­лі­чної структури.

Чим особлива Cu₂₀Bi₉

Кристалічна комір­ка нової фази містить 80 ато­мів міді та 36 ато­мів вісму­ту.

За сло­ва­ми авто­рів, її про­сто­ро­ва стру­кту­ра нага­дує ква­дра­тну короб­ку для цуке­рок. Комп’ютерне моде­лю­ва­н­ня також пока­за­ло висо­ку ста­біль­ність мате­рі­а­лу: атоми майже не змі­щу­ю­ться зі своїх поло­жень після фор­му­ва­н­ня кри­ста­лі­чної решітки.

Чи знайде відкриття практичне застосування

Поки що дослі­дни­ки не гово­рять про кон­кре­тні техно­ло­гії чи про­ми­сло­ве вико­ри­ста­н­ня нової сполуки.

Спочатку необ­хі­дно зро­зу­мі­ти меха­нізм її утво­ре­н­ня та деталь­но вивчи­ти фізи­чні властивості.

Втім, інтер­ме­та­лі­чні спо­лу­ки на осно­ві вісму­ту вже роз­гля­да­ю­ться як пер­спе­ктив­ні мате­рі­а­ли для без­свин­це­вих при­по­їв, тер­мо­еле­ктри­чних при­стро­їв і дослі­джень топо­ло­гі­чних ізо­ля­то­рів. Якщо подаль­ші робо­ти під­твер­дять кори­сні вла­сти­во­сті Cu₂₀Bi₉, вона також може зна­йти засто­су­ва­н­ня в цих напрямах.