Земля втратила легші елементи: вчені вважають, що знайшли місце, де вони заховані

Майже століття геофізики намагалися розгадати одну загадку: куди поділися легші елементи Землі? Річ у тім, що порівняно з кількістю елементів на Сонці та деяких метеоритах, на нашій планеті значно менше водню, вуглецю, азоту та сірки, а також більше благородних газів, таких як гелій. У деяких випадках цих елементів більш ніж на 99% менше, пише Live Science.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

За словами вчених, частина цієї невідповідності пояснюється втратами в Сонячній системі в процесі формування нашої планети. Але дослідники давно підозрювали, що відбувається і щось іще.

Нещодавно група вчених повідомила про можливе пояснення: ці елементи можуть ховатися глибоко у твердому внутрішньому ядрі нашої планети. За надвисокого тиску — 360 гігапаскалів, що в 3,6 мільйона разів перевищує атмосферний тиск, — залізо там поводиться дивно, перетворюючись на електрид: маловідому форму металу, здатну поглинати легші елементи.

За словами співавтора дослідження, фізика-теоретика з Центру передових досліджень у галузі науки й технологій високого тиску в Шанхаї Дака Янг Кіма, поглинання цих легких елементів могло відбуватися поступово впродовж кількох мільярдів років, а можливо, триває й досі.

Вважається, що це може пояснити, чому рух сейсмічних хвиль, що поширюються Землею, вказує на щільність внутрішнього ядра, яка на 5-8% нижча, ніж очікувалося, якби воно складалося тільки з металу.

Електриди сьогодні переживають свій зоряний час: вони не тільки здатні допомогти розгадати загадку планети, але тепер також можуть бути отримані при кімнатній температурі і тиску з безлічі елементів. Оскільки всі електриди містять джерело реактивних електронів, які легко передаються іншим молекулам — вони є ідеальними каталізаторами та іншими агентами, що сприяють протіканню складних реакцій.

Наприклад, один з електридів уже використовується для каталізу виробництва аміаку — ключового компонента добрив. Японські розробники стверджують, що цей процес споживає на 20% менше енергії, ніж традиційне виробництво. Тим часом хіміки відкривають нові електриди, які можуть призвести до дешевших і екологічніших методів виробництва фармацевтичних препаратів. Тепер учені прагнуть знайти більше таких цікавих матеріалів і зрозуміти хімічні правила, що керують утворенням.

Більшість твердих тіл складаються з упорядкованих решіток атомів, але електриди відрізняються. У їхніх решітках є невеликі порожнини, де електрони розташовуються самостійно.

Зовнішні електрони електридів також більше не обертаються навколо конкретного атома, але вони не можуть вільно переміщатися. Замість цього вони виявляються захопленими в місцях між атомами, які називаються неядерними атракторами, що надає матеріалам унікальних властивостей. За словами вчених, у випадку заліза в земному ядрі негативні електронні заряди стабілізують легші елементи в неядерних атракторах, що утворилися за надвисокого тиску, який у 3000 разів перевищує тиск на дні найглибших океанів. Вважається, що елементи дифундують у метал, що й пояснює, куди вони зникають.

Першим металом, у якому було виявлено утворення електриду за високого тиску, став натрій, про що повідомлялося ще 2009 року. За словами хіміка-теоретика з Кембридзького університету у Великій Британії Стефано Рачіоппі, за тиску 200 гігапаскалів метал перетворюється з блискучого металу, що відбиває і проводить електрику, на прозорий склоподібний, ізоляційний матеріал. Відкриття здавалося дуже дивним.

За словами авторів дослідження, електриди також є ідеальними кандидатами на роль каталізаторів — речовин, здатних прискорювати та знижувати енергію, необхідну для хімічної реакції. За останнє десятиліття вченим вдалося виявити кілька таких стабільних електридів, виготовлених із неорганічних сполук або органічних молекул, що містять атоми металів. Одним із найбільш значущих сьогодні вважається майєніт, виявлений 2003 року.

Майєніт — це оксид алюмінату кальцію, що утворює кристали з дуже дрібними порами, відомими як клітини, які містять іони кисню. Якщо на нього пропустити пари металу кальцію або титану при високій температурі, він видалить кисень, залишивши тільки електрони, захоплені в цих місцях — електрид.

Зазначимо, що на відміну від металевих електродів, що утворюються за високого тиску і переходять із провідників в ізолятори, майєніт від початку є ізолятором. Він також стає чудовим каталізатором, здатним віддавати електрони, щоб сприяти утворенню і розриву зв'язків у реакціях.

Попри те, що список електридів постійно поповнюється, все ще залишається безліч невирішених загадок, що стосуються їх. Одним із таких питань залишається те, чи містить внутрішнє ядро Землі електрид. У новому дослідженні Кім з колегами використовували моделювання решітки заліза, щоб знайти докази існування неядерних атракторних ділянок, але їхня інтерпретація результатів залишається "дещо спірною".

Нагадаємо, раніше ми писали про те, що в ядрі Землі ховається елемент не з нашого світу: що виявили фізики.

Раніше Фокус писав про те, що Земля не була придатна для життя: все змінило чужорідне тіло.