А началось все вот с чего. По воспоминаниям самого 39-летнего ученого, химиком он решил стать в 4 года. Очень уж его интересовали те «фокусы» по превращению одних веществ в другие, которые происходили в химических колбах и пробирках. В школе он особенно заинтересовался соединениями натрия. И вот почему.
С одной стороны, химикам хорошо известно, что и натрий, и хлор по отдельности довольно агрессивные элементы, которые охотно вступают в химические реакции с другими элементами. Так, натрий, брошенный в воду, начинает самопроизвольно гореть и очень быстро окисляется на воздухе, его обычно хранят под слоем керосина или в инертной среде.
С другой стороны, в начале школьного курса химии нам рассказывают о том, что связи могут быть ковалентными или ионными, и как пример классической ионной связи приводят хлорид натрия или поваренную соль — NaCl. Один электрон от менее электроотрицательного натрия переходит к более электроотрицательному хлору, тот, согласно «правилу 8 электронов», обретает электронную конфигурацию благородного газа. По всем классическим правилам, NaCl — единственное соединение, которое может существовать в этой системе.
Так написано во всех учебниках.
Но Артем Оганов позволил себе учебникам не поверить. «Подобные истины могут быть верны для так называемых нормальных условий — атмосферного давления, комнатной температуры, — рассказывал он журналистам. — Именно такие условия царят на поверхности Земли, и мы привыкли рассчитывать и проводить химические реакции именно в таком режиме.
Артем Оганов, несмотря на свое профессорское звание, отнюдь не пожилой человек.
Но давайте копнем чуть глубже. В недрах нашей планеты царят огромные давления и высокие температуры. Они еще больше в недрах планет-гигантов, а также Солнца и других звезд. А значит, и химические реакции там могут протекать совершенно иначе».
Как именно? Это российский ученый и его коллеги попытались себе представить, рассчитать с помощью метода предсказания кристаллических структур, разработанного Огановым и известного множеству ученых во всем мире. Артем назвал свой метод USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xrystallography). Так что теперь русское слово «успех» хорошо известно кристаллографам и материаловедам.
Выпускник МГУ, А. Оганов сейчас является профессором Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук. Кроме того, под его руководством работают лаборатории в Швейцарии и Китае. Недавно он начал также работать по мегагранту российского правительства в Московском физико-техническом институте в Долгопрудном, где тоже организована специализированная лаборатория.
В своей статье «Неожиданные стабильные хлориды натрия» (Unexpected stadle stoichiometries of sodium chlorides) в журнале Science А. Оганов и его коллеги показали, что в природе вполне могут существовать и другие соединения натрия и хлора, в том числе и те, что перечислены выше.
Когда ученые помещали кристаллы соли в зону высокого давления (200 000 атмосфер), а затем добавляли хлор или натрий, появились такие «невозможные» соединения, как Na3Cl и NaCl3. Более того, удалось найти и другие устойчивые соединения натрия и хлора, которые считались невозможными, поскольку требуют совершенно иной формы химической связи — с более высокой энергией, чем обычно.
Тем не менее, ученые создали данные соединения, причем они, как уже говорилось, стабильны, то есть при высоком давлении сохраняют свои свойства долгое время, а при обычном давлении — несколько минут.
Это начало революции в химии, уверен Артем Оганов. «Мы обнаружили, что при давлениях, достижимых в лаборатории, получаются новые стабильные соединения, которые противоречат классическим правилам химии, — говорит он. — Если применить относительно небольшое давление в 200 000 атмосфер (давление в центре Земли составляет 3,6 млн. атмосфер), многое из того, что мы знаем из учебников химии, перестает работать».
На практике это означает, что возможно создание материалов с необычными свойствами, которые кажутся на первый взгляд абсурдными. Например, среди созданных командой Артема Оганова соединений есть двумерные металлы, которые проводят электричество лишь вдоль слоев материала, но не поперек.