Научные достижения химического факультета
24.07.2023
Химики МГУ представили новое семейство висмутовых аналогов железосодержащих сверхпроводников
Сотрудники кафедр
неорганической и физической химии Химического факультета МГУ синтезировали и
изучили совместно с коллегами соединения ранее неизвестного семейства слоистых электрон-дефицитных
висмутидов – аналогов железосодержащих сверхпроводников. Изучение данного
семейства представляет фундаментальный интерес в области химии твердого тела, а
структурные особенности и проведенный расчет электронного строения предполагают
наличие интересных физических свойств. Работа
опубликована
в специальном выпуске журнала Zeitschrift für anorganische und allgemeine
Chemie, посвященном 100-летию со дня рождения Рудольфа Хоппе – одного из
основателей химии твердого тела в Европе.
Сверхпроводники находят большое
количество применений и активно исследуются благодаря уникальной способности
передавать электричество без потерь. Это возможно вследствие достижения нуля сопротивления
при температуре и силе тока ниже критических. В поисках сверхпроводников с
высокими эксплуатационными характеристиками, а также сочетающих
сверхпроводимость с другими функциональными свойствами физики и химики изучают
соединения различного состава и строения.
Такие исследования относятся к
приоритетным, так как могут серьёзно повлиять на промышленность, прогресс и
качество жизни. Поэтому данная работа входит в проект "Развитие синхротронных и
нейтронных исследований и инфраструктуры для материалов энергетики нового
поколения и безопасного захоронения радиоактивных отходов", поддержанный
Министерством науки и высшего образования Российской Федерации грантом № 075-15-2021-1353
в рамках нацроекта "Наука и университеты".
"Идея синтезировать и исследовать
соединения висмута состава 122, содержащие щелочной и переходный металлы,
родилась в связи с открытием в 2008 году сверхпроводимости в имеющих
аналогичное строение железосодержащих соединениях мышьяка, – пояснил соавтор
работы, д.х.н., профессор Игорь
Морозов. – Особый интерес к этим нетрадиционным сверхпроводникам связан с
тем, что механизм сверхпроводимости в них не удается описать в рамках уже
существующих моделей. Известны тысячи соединений с таким кристаллическим
строением, но до настоящего времени среди них был известен только один висмутид.
Однако такие соединения очень интересны, поскольку замена мышьяка на висмут
может привести к появлению новых свойств, связанных с характерным для висмута
сильным спин-орбитальным взаимодействием".
Авторам удалось вырастить
монокристаллы четырех ранее неизвестных слоистых висмутидов семейства 122 общей
формулы ATM2Bi2,
где A – щелочной металл (калий,
рубидий, цезий), TM – переходный металл (цинк, кадмий),
из висмутового расплава в ходе его медленного охлаждения. Основные экспериментальные
трудности при получении соединений были связаны с щелочными металлами:
приготовление реакционных смесей проводилось в перчаточном боксе в атмосфере
сухого аргона, что осложняет даже простые операции. Присутствие щелочных
металлов также способствует бурному взаимодействию реагентов, которое может
начаться непосредственно в ходе приготовления реакционной смеси.
"Сложной задачей оказалось определение
кристаллической структуры полученных соединений, – рассказал Игорь Морозов. –
Они чрезвычайно гигроскопичны и склонны к расслаиванию, в результате чего даже
при минимальном механическом воздействии нарушается упорядочение слоев и
происходит потеря монокристалличности. Нам удалось решить эту нетривиальную
задачу и установить структуру рубидиево-кадмиевого соединения традиционным
методом монокристального рентгеноструктурного анализа".
Структурное исследование
показало, что слоистые висмутиды проявляют интересную особенность: при переходе
от производных цинка к производным кадмия происходит существенное сближение
слоев, в результате которого атомы висмута из соседних слоев начинают
взаимодействовать между собой. Еще одна особенность состоит в отклонении
количества валентных электронов, приходящихся на элементарную ячейку, от
обычного значения в меньшую сторону. Вероятно, эти особенности проявятся в
интересных физических свойствах данных соединений.
"В настоящее время пока не были
реализованы все возможные сочетания щелочного и переходного металлов, –
объяснил Игорь Морозов. – Необходимо синтезировать оставшиеся члены семейства и
изучить для всех полученных соединений магнитные и транспортные свойства. Также
идет подготовка публикации, в которой будут представлены данные по их
электронному строению и физическим свойствам".
