二氧化硅悖論：發現看似「不可能」的材料！

一個由來自NUST MISIS、Bayerisches Geoinstitut(德國)、Linkoping University(瑞典)和California Institute of Technology(美國)的物理學家和材料科學家組成的國際團隊發現了一種「不可能」對硅-科賽特- iv和科賽特- v材料進行修飾的方法。這種方法似乎違反了萊納斯·鮑林(Linus Pauling)提出無機材料中化學鍵形成的普遍公認規則，研究結果發表在《自然通訊》上。根據鮑林的規則無機材料中原子晶格的碎片由頂點連接，因為面鍵是形成化學連接最耗能的方式。因此它並不存在於自然界。

博科園-科學科普：然而科學家們已經用NUST MISIS的超級計算機從實驗和理論上證明：如果材料處於超高壓條件下，就有可能形成這樣的連接。結果表明在極端條件下存在著全新的一類材料，在研究中合成並描述了高壓二氧化硅的亞穩態相：科氏體- iv和科氏體- v，晶體結構與之前描述的任何模型都有很大的不同。新發現的兩顆coesites含有八面體SiO6，這與Pauling的規則相反，是通過最耗能的化學連接common face連接的。研究結果表明，地球下地幔中可能存在的硅酸鹽岩漿可能具有複雜的結構，這使得這些岩漿比以前預測的更容易壓縮。

這些(a)、(b)是協同酶的空間晶格，(c)顯示了「未包裹」的晶格，其中含有明顯可見的SiO6片段，這些片段由表面連接起來，相互矛盾。圖片：NUST MISIS

由Igor abri科索沃教授領導的研究小組專註於超高壓下的材料研究。這些極端條件導致了新材料的質量，例如在最近的一篇論文中，科學家報告了以前認為不可能獲得的氮化物的產生。有關氧化硅結構和力學性質的信息對於理解地幔中發生的過程至關重要。在研究這種存在於地球內部極高溫高壓下的材料結構時，科學家們發現一種對氧化硅的特殊修飾（多形性科氏體）在30 GPa的壓力下經歷了許多相變，並形成了新的相(「科氏體- iv」和「科氏體- v」)，這些相變保持了四面體SiO4作為晶格的主要結構元素。

晶格的改變與壓力/壓縮的關係，顯然在高壓下材料的結構是複雜的-金字塔-五面體-六面體-八面體。圖片：NUST MISIS

在新的實驗中科學家們進一步將金剛石砧中的氧化硅壓縮到30 GPa以上，並用單晶x射線衍射觀察了這一階段的結構變化。結果令人驚訝：這些結構性變化是鮑林規則的例外。科學家們發現了兩種新的coesite修飾物(coesite- iv和coesite- v)，其結構(圖1)根據經典晶體化學，非常特殊，而且看起來「不可能」:它們含有五配位硅，相鄰的八面體SiO6，同時由四、五和六配位硅組成。此外根據鮑林的規則，原子晶格的幾個碎片是通過面而不是頂點連接，這應該是不可能。

博科園-科學科普｜研究/來自：National University of Science and Technology MISIS

參考期刊文獻:《Nature Communications》

DOI: 10.1038/s41467-018-07265-z

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