Открытия и прорывы в мире кристаллографии: лекция о веществах, молекулах и суперматериалах

в условиях сверхвысоких давлений. Настоящая структура льда состоит из полостей, она не плотно упакованная, в ней есть дырки, пустые места, благодаря чему лед менее плотен, чем вода. В XIX веке химики старались представить, как расположены атомы в структурах разных органических молекул. Самая известная и удачная попытка такого рода — это структура бензола, предложенная великим Кекуле, а первое удачное предсказание твердой структуры кристаллов было сделано англичанином Уильямом Барлоу в отношении каменной соли.

Для квантовых расчетов используются теории функционала плотности. Это революционная переформулировка квантовой механики, за которую ее создатель Вольтер Кон получил Нобелевскую премию по химии.

Синтез алмазов

Предсказать форму и структуру кристаллического соединения очень сложно и, одновременно с этим, очень просто. Стабильные молекулы, электроны и соединения образуют выпуклую оболочку. В этой системе получается четкий строгий математический критерий для состояния двойных систем, для тройных систем, для сколько угодно сложных систем. Более того это дает возможность создавать алгоритм, который предсказывает сразу все стабильные соединения в этой системе. В этом, отчасти, заключается профессия кристаллографа. Если смотреть на область высоких давлений, там химия кардинально меняется, что делает эксперименты гораздо сложнее. Поэтому при высоких давлениях есть все шансы обнаружить огромное множество самых необычных симметричных и асимметричных свойств в структурах кристаллов. Например, кислород при высоком давлении в миллион атмосфер становится сверхпроводником, а тела серы, кремния,  йода, фосфора связываются и становятся металлами, тогда как в нормальных условиях они не металлы. Или частицы натрия, который при нормальных условиях является практически идеальным металлом, при высоких давлениях становится прозрачным неметаллом. Такая структура решетки кристаллов в составе этих веществ. При давлении в 10 миллионов атмосфер периодичность вообще исчезает, но остаются какие-то шероховатости, а при давлении в 30 миллионов атмосфер не остается даже шероховатости. Исчезает периодический закон, а вместе с ним исчезает и химия. У химии тоже есть границы применимости. Но такие давления не интересуют экспериментаторов-кристаллографов, а интересуют те, которые можно более или менее легко воспроизвести в экспериментальных условиях. Исследования в рамках кристаллографии и кристаллохимии в основном ведутся в пределах давлений, которые царят внутри нашей планеты, а это где-то до 3,6 миллионов атмосфер.