Земля утратила более легкие элементы: ученые считают, что нашли место, где они скрыты

Почти столетие геофизики пытались разгадать одну загадку: куда делись более легкие элементы Земли? Дело в том, что по сравнению с количеством элементов на Солнце и некоторых метеоритах, на нашей планете значительно меньше водорода, углерода, азота и серы, а также больше благородных газов, таких как гелий. В некоторых случаях этих элементов более чем на 99% меньше, пишет Live Science.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

По словам ученых, часть этого несоответствия объясняется потерями в Солнечной системе в процессе формирования нашей планеты. Но исследователи давно подозревали, что происходит и нечто еще.

Недавно группа ученых сообщила о возможном объяснении: эти элементы могут скрываться глубоко в твердом внутреннем ядре нашей планеты. При сверхвысоком давлении — 360 гигапаскалей, в 3,6 миллиона раз превышающем атмосферное давление — железо там ведет себя странно, превращаясь в электрид: малоизвестную форму металла, способную поглощать более легкие элементы.

По словам соавтора исследования, физика-теоретика из Центра передовых исследований в области науки и технологий высокого давления в Шанхае Дака Янг Кима, поглощение этих легких элементов могло происходить постепенно в течение нескольких миллиардов лет, а возможно продолжается и до сих пор.

Считается, что это может объяснить, почему движение сейсмических волн, распространяющихся по Земле, указывает на плотность внутреннего ядра, которая на 5–8% ниже, чем ожидалось, если бы оно состояло только из металла.

Электриды сегодня переживают свой звездный час: они не только способны помочь разгадать загадку планеты, но теперь также могут быть получены при комнатной температуре и давлении из множества элементов. Поскольку все электриды содержат источник реактивных электронов, которые легко передаются другим молекулам — они являются идеальными катализаторами и другими агентами, способствующими протеканию сложных реакций.

Например, один из электридов уже используется для катализа производства аммиака — ключевого компонента удобрений. Японские разработчики утверждают, что этот процесс потребляет на 20% меньше энергии, чем традиционное производство. Тем временем химики открывают новые электриды, которые могут привести к более дешевым и экологичным методам производства фармацевтических препаратов. Теперь ученые стремятся найти больше таких интригующих материалов и понять химические правила, управляющие образованием.

Большинство твердых тел состоят из упорядоченных решеток атомов, но электриды отличаются. В их решетках есть небольшие полости, где электроны располагаются самостоятельно.

Внешние электроны электридов также больше не вращаются вокруг конкретного атома, но они не могут свободно перемещаться. Вместо этого они оказываются захваченными в местах между атомами, которые называются неядерными аттракторами, что придает материалам уникальные свойства. По словам ученых, в случае железа в земном ядре отрицательные электронные заряды стабилизируют более легкие элементы в неядерных аттракторах, образовавшихся при сверхвысоком давлении, в 3000 раз превышающем давление на дне самых глубоких океанов. Считается, что элементы диффундируют в металл, что и объясняет, куда они исчезают.

Первым металлом, в котором было обнаружено образование электрида при высоком давлении, стал натрий, о чем сообщалось еще в 2009 году. По словам химика-теоретика из Кембриджского университета в Великобритании Стефано Рачиоппи, при давлении 200 гигапаскалей металл превращается из блестящего, отражающего, проводящего металла в прозрачный стекловидный, изоляционный материал. Открытие казалось очень странным.

По словам авторов исследования, электриды также являются идеальными кандидатами на роль катализаторов — веществ, способных ускорять и снижать энергию, необходимую для химической реакции. За последнее десятилетие ученым удалось обнаружить несколько таких стабильных электридов, изготовленных из неорганических соединений или органических молекул, содержащих атомы металлов. Одним из наиболее значитмых сегодня считается майенит, обнаруженный в 2003 году.

Майенит — это оксид алюмината кальция, образующий кристаллы с очень мелкими порами, известными как клетки, которые содержат ионы кислорода. Если на него пропустить пары металла кальция или титана при высокой температуре, он удалит кислород, оставив только электроны, захваченные в этих местах — электрид.

Отметим, что в отличие от металлических электридов, образующихся при высоком давлении и переходящих из проводников в изоляторы, майенит изначально является изолятором. Он также становится превосходным катализатором, способным отдавать электроны, чтобы способствовать образованию и разрыву связей в реакциях.

Несмотря на то, что список электридов постоянно пополняется, все еще остается множество нерешенных загадок, касающихся их. Одним из таких вопросов остается то, содержит ли внутренне ядро Земли электрид. В новом исследовании Ким с коллегами использовали моделирование решетки железа, чтобы найти доказательства существования неядерных аттракторных участков, но их интерпретация результатов остается "несколько спорной".