Arrangement de carbone avec une teneur en carbone croissante. Crédit :© Yan-Ling Li et al. / Communication Nature
Une équipe dirigée par le professeur MIPT Artem Oganov a utilisé la simulation informatique pour prédire l'existence de cinq composés complètement nouveaux de carbone et de calcium avec des propriétés chimiques et physiques variées, en obtenir deux par expérience. Le journal Communication Nature a publié un article présentant les résultats de l'étude.
Le carbure de calcium (CaC2) n'est pas un composé chimique rare :vous avez peut-être rencontré ces petites roches blanches à partir desquelles sont produits de l'acétylène pour le soudage au gaz et des engrais. Il existe également une forme plus exotique d'un composé de calcium et de carbone, hexacarbure de calcium (CaC6), qui devient un supraconducteur à des températures relativement élevées de 11,5 Kelvin.
Le groupe Oganov a découvert que la variété des composés carbonés et calciques ne se limite pas à ces deux substances. En utilisant la simulation informatique, ils ont découvert qu'au moins cinq autres carbures peuvent exister sous certaines conditions.
Les scientifiques se spécialisent dans la recherche de composés qui semblent impossibles, car leur existence va à l'encontre des lois chimiques connues. En utilisant l'algorithme de simulation de composés chimiques USPEX développé par le professeur Oganov, ils ont prédit l'existence de sels "non standard" de sodium et de chlore, NaCl3, NaCl7, Na3Cl2, Na2Cl et Na3Cl, qui a enfreint les lois de la chimie, puis obtenu ces composés au cours d'expériences. Ils ont également découvert plusieurs oxydes d'aluminium "non standard", oxydes de magnésium et autres substances.
Structures cristallines prédites des composés Ca-C. Crédit :© Yan-Ling Li et al. / Communication Nature
Les composés de calcium et de carbone ont attiré l'attention du groupe car les propriétés structurelles et électroniques des deux éléments varient considérablement à différentes pressions. En particulier, à une pression de 216 GPa, le calcium présente la température de transition supraconductrice la plus élevée (29 K) parmi les éléments purs.
En utilisant le simulateur USPEX, les scientifiques ont analysé les propriétés de tous les carbures possibles pouvant être synthétisés à des pressions allant de la normale à 100 GPa et ont détecté cinq substances possibles :Ca5C2, Ca2C, Ca3C2, CaC et Ca2C3.
Leurs calculs ont montré que le Ca2C3 reste stable à des pressions inférieures à 28 GPa, Ca5C2 à des pressions supérieures à 58 GPa, Ca2C - au-dessus de 14 GPa, Ca3C2 - au-dessus de 50GPa, CaC - au-dessus de 26GPa, et CaC2 - au-dessus de 21 GPa. Les réseaux cristallins de ces composés contiennent des structures carboniques, avec des formes allant des haltères aux ceintures et des couches constituées d'hexagones.
Ca2C s'est avéré être le composé le plus particulier. Comme le graphène, il a la structure et les propriétés d'un métal bidimensionnel. Le graphène est un matériau carboné, dont la synthèse a valu à Andre Geim et Konstantin Novoselov le prix Nobel 2010. Mais contrairement au graphène, en Ca2C, le courant électrique longe les couches d'atomes de calcium, pas d'atomes de carbone, et il y a des amas d'électrons libres dans les couches de calcium.
Pour confirmer leurs prédictions théoriques, Le groupe d'Oganov a mené une expérience pour synthétiser les composés. Ils ont placé un mélange de calcium et de carbone dans une cellule dite à enclume de diamant, une chambre dans laquelle un échantillon de matériau est pressé entre deux diamants. Les pressions peuvent atteindre des centaines de GPa dans une telle chambre.
Les scientifiques ont enregistré la synthèse de Ca2C3 à des pressions supérieures à 10 GPa et à des températures proches de 2000 K, tandis que le Ca2C a été observé lorsque les pressions dépassaient 22 GPa. En utilisant le rayonnement synchrotron, le groupe a pu confirmer l'existence de structures qu'ils prédisaient théoriquement.
"Il est possible de trouver des applications pratiques pour ces substances inhabituelles, s'ils sont synthétisés en quantité suffisante, " a déclaré Oganov.
Les carbures bidimensionnels avec amas d'électrons libres sont des réducteurs uniques et peuvent être utilisés dans l'industrie chimique. Les carbures avec trois atomes de carbone ou plus peuvent être utilisés pour synthétiser des hydrocarbures rares, ajouta Oganov.
