Silicium-Paradox: Wissenschaftler von NUST MISIS finden einMaterial, das den Gesetzen der modernen Chemie widerspricht

Moskau (ots/PRNewswire) – Ein internationales Team von Physikern und
Materialwissenschaftlern von NUST MISIS, dem Bayerischen Geoinstitut
(Deutschland), der Universität Linköping (Schweden) und dem
California Institute of Technology (USA) hat “unmögliche”
Modifikationen von Siliciumdioxid-Coesit-IV und Coesit-V,
Materialien, die eigentlich gar nicht existieren können, entdeckt.
Ihre Struktur zeigt die Ausnahme von den chemischen Grundgesetzen für
die Bildung chemischer Bindungen in anorganischen Materialien, die
von Linus Pauling postuliert wurden und für die ihm 1954 der
Nobelpreis für Chemie verliehen wurde. Die Forschungsergebnisse
wurden am 15. November 2018 in Nature Communications veröffentlicht.

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Gemäß den Pauling’schen Regeln sind die Fragmente des Atomgitters in
anorganischen Materialien durch “Scheitelpunkte” verbunden, da das
Verbinden mit Flächen der energieintensivste Weg ist, eine chemische
Verbindung herzustellen und daher in der Natur nicht existiert.
Wissenschaftler haben jedoch experimentell und theoretisch mit dem
Supercomputer von NUST MISIS bewiesen, dass es möglich ist, solche
Verbindungen herzustellen, wenn die Materialien unter extrem hohen
Druckbedingungen stehen. Die so erzielten Ergebnisse eröffnen einen
völlig neuen Weg in der Entwicklung der modernen
Materialwissenschaft, solange eine grundlegend neue Materialklasse
nur unter extremen Bedingungen existiert.

“In unseren Forschungsarbeiten haben wir metastabile Phasen von
Hochdruckkieselsäure, Coesit-IV und Coesit-V synthetisiert und
beschrieben: Ihre Kristallstrukturen unterscheiden sich drastisch von
den zuvor beschriebenen Modellen.” -Igor Abrikosov, Leiter des
Theoretical Research Teams, Professor, Leiter des NUST MISIS-Labors
für die Modellierung und Entwicklung neuer Materialien. “Zwei neu
entdeckte Coesite enthalten Oktaeder SiO6, die entgegen der
Pauling’schen Regel durch eine gemeinsame Fläche verbunden sind, was
für eine chemische Verbindung am energieintensivsten ist. Unsere
Ergebnisse zeigen, dass die möglichen silikatischen Magmen im unteren
Erdmantel komplexe Strukturen haben können, durch welche sich diese
Magmen stärker komprimieren lassen, als bisher angenommen.”

Das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Igor Abrikosov
(NUST MISIS, Russland, Universität Linköping (Schweden)) konzentriert
sich auf die Untersuchung der Materialien, wenn diese unter extrem
hohem Druck stehen. Ein Material in solch extreme Bedingungen zu
versetzen, ist eine der vielversprechendsten Möglichkeiten,
qualitativ neue Materialien zu schaffen, die neue fantastische
Möglichkeiten eröffnen könnten. In einer der jüngsten
Veröffentlichungen haben Wissenschaftler beispielsweise über die
Bildung von Nitriden berichtet, deren Bildung zuvor nicht möglich
war.

Informationen über die Struktur und die mechanischen Eigenschaften
von Siliciumoxid sind für das Verständnis der Vorgänge im Erdmantel
unseres Planeten von entscheidender Bedeutung. Bei der Untersuchung
der Struktur des Materials, das bei extrem hohen Temperaturen und
Drücken tief im Erdinneren vorhanden ist, haben Wissenschaftler
entdeckt, dass eine spezielle Modifikation von Siliciumoxid –
Polymorph-Coesit unter einem Druck von 30 GPa eine Reihe von
Phasenübergängen durchläuft und neue Phasen (“Coesit-IV” und
“Coesit-V”) formen, die Tetraeder SiO4 als Hauptstrukturelemente des
Kristallgitters erhalten.

In den neuen Experimenten gingen die Wissenschaftler noch weiter,
indem sie Siliciumoxid in einem Diamant-Amboss unter einem Druck von
mehr als 30 GPa komprimierten und Strukturänderungen in dieser Phase
durch Einkristall-Röntgenbeugung beobachteten. Die Ergebnisse sind
überraschend: Diese strukturellen Veränderungen bilden eine Ausnahme
der Pauling’schen Regeln.

Wissenschaftler haben zwei absolut neue Modifikationen von Coesit
(Coesit-IV und Coesit-V) entdeckt, deren Strukturen (Abbildung 1) aus
klassischer Sicht der Kristallchemie außergewöhnlich und “unmöglich”
sind: Sie haben pentakoordiniertes Silicium, benachbarte Oktaeder
SiO6 und bestehen aus vierfach, fünffach und sechsfach koordiniertem
Silicium gleichzeitig. Darüber hinaus verbinden sich mehrere
Fragmente des Atomgitters durch Flächen, nicht durch Scheitelpunkte,
was nach den Regeln von Pauling unmöglich ist.

Dina Moiseeva
d.moiseeva@misis.ru
+7-9033630573

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