Ученые из МФТИ и Сколтеха Артем Оганов и Габриэле Салех с помощью компьютерного моделирования выяснили, из каких веществ могут состоять недра Урана, Нептуна и ледяных спутников планет-гигантов – оказалось, что при высоких давлениях, характерных для их недр, образуются экзотические кристаллические и полимерные соединения, включающие угольную и ортоугольную кислоты, сообщает пресс-служб МФТИ. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.

Группа под руководством Оганова разработала универсальный и самый  эффективный на сегодня алгоритм предсказания структуры химических соединений – USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography). Суть метода заключается в том, что он позволяет моделировать кристаллическую структуру вещества, а также изменение его свойств при изменении внешних условий, опираясь на знание параметров атомной состава молекулы данного вещества. Метод позволяет прогнозировать не только кристаллическую структуру вещества, но и предсказать структуру наночастиц, полимеров, поверхностей и 2D-кристаллов. Он может очень эффективно обрабатывать молекулярные кристаллы (в том числе с гибкими и очень сложными молекулами) и может предсказать какими будут устойчивые химические составы и соответствующие кристаллические структуры, опираясь только на названия химических элементов. С его помощью ученым за последние годы удалось открыть множество веществ, «запрещенных» классической химией, которые могут быть стабильными при высоких давлениях. Это, например, несколько ранее неизвестных вариантов соли – Na3Cl, NaCl3, NaCl7 и даже Na3Cl2 и Na4Cl3, а также экзотические новые соединения магния, кремния и алюминия, которые могут существовать в недрах суперземель.

Артем Оганов и его соавтор Габриэле Салех из МФТИ решили изучить химическое поведение системы углерод-водород-кислород под высоким давлением.

«Эта задача крайне важна, поскольку вся органическая химия «держится» на этих трех элементах. При этом до сих пор было не вполне ясно, как они себя ведут при экстремальных давлениях и температурах. Кроме того, они играют важнейшую роль в химии планет-гигантов. Газовые гиганты «среднего класса» – Уран и Нептун – в основном состоят именно из углерода, водорода и кислорода. Мы выяснили, что при давлении в несколько миллионов атмосфер в их недрах должны формироваться соединения, невозможные в земных условиях. Не исключено, что ядра этих планет могут в значительной степени состоять из этих экзотических веществ», – цитируются в пресс-релизе слова Оганова.

Ученым было известно, что при атмосферном давлении все соединения углерода, водорода и кислорода кроме метана, воды и углекислого газа термодинамически нестабильны. Вода и углекислота при росте давления сохраняют устойчивость, но метан при давлении выше 93 гигапаскалей (0,93 миллиона атмосфер) начинает разлагаться, образуя тяжелые углеводороды – этан, бутан и полиэтилен. При менее высоком давлении – около 4 гигапаскалей – метан и молекулярный водород соединяются в так называемые сокристаллы (где два вещества образуют единую кристаллическую решетку), а при 6 гигапаскалях возникают гидраты – кристаллы из метана и воды. Для сравнения, давление на дне Марианской впадины составляет 108,6 мегапаскаля, что в тысячу раз меньше.

Оганов и Салех предприняли поиск всех стабильных соединений в диапазоне до 400 гигапаскалей (около 4 миллионов атмосфер) и нашли множество новых веществ. В их числе клатрат (соединение включения) молекулярного водорода и метана 2CH4:3H2, стабильный от 10 до 215 гигапаскалей.

Кроме того, выяснилось, что при давлении выше 0,95 гигапаскаля (около 10 тысяч атмосфер) становится термодинамически стабильной угольная кислота (H2CO3). Это очень необычно для вещества, которое крайне неустойчиво в обычных условиях – требует для синтеза сильных кислот и сохраняется только в вакууме при очень низких температурах, пишут авторы статьи.







Условия, при которых может возникать угольная кислота, существуют в недрах ледяных спутников планет-гигантов, например, внутри Европы, спутника Юпитера. Снаружи они покрыты толстым слоем льда, под ним – океан, окружающий каменное ядро. Последние исследования этих планет дают возможность  предполагать, что в этом океане может существовать жизнь.

«Раньше считалось, что океан в таких спутниках непосредственно контактирует с каменным ядром и между ними происходит химическая реакция. Наша работа показывает, что ядро может быть «обёрнуто» в слой кристаллизованной угольной кислоты, что сделает невозможной реакцию ядра и водного океана», - приводятся в тексте слова Оганова.

При росте давления до 44 гигапаскалей угольная кислота превращается в полимер, который сохраняет устойчивость до как минимум 400 гигапаскалей. Кроме того, при 314 гигапаскалях становится возможной экзотермическая реакция между угольной кислотой и водой с образованием ортоугольной кислоты (H4CO4). Это соединение пока не удавалось получить в лабораториях из-за его крайней нестабильности. Структура молекулы ортоугольной кислоты напоминает свастику, почему ее в шутку называют «кислотой Гитлера».



Как полагают авторы исследования, ядра Нептуна и Урана могут содержать значительные количества полимера угольной кислоты и ортоугольной кислоты.