Un team guidato dal professor Artem Oganov del MIPT ha utilizzato la simulazione al computer per prevedere l'esistenza di cinque composti completamente nuovi di carbonio e calcio con varie proprietà chimiche e fisiche, ottenendone due sperimentalmente. Il giornale Comunicazioni sulla natura ha pubblicato un articolo con i risultati dello studio.

Il carburo di calcio (CaC2) non è un composto chimico raro:potresti esserti imbattuto in queste piccole rocce bianche da cui vengono prodotti acetilene per la saldatura a gas e fertilizzanti. Esiste anche una forma più esotica di un composto di calcio e carbonio, esacarburo di calcio (CaC6), che diventa un superconduttore a temperature relativamente elevate di 11,5 Kelvin.

Il gruppo Oganov ha scoperto che la varietà di composti di carbonio e calcio non è limitata a queste due sostanze. Utilizzando la simulazione al computer, hanno scoperto che in determinate condizioni possono esistere almeno altri cinque carburi.

Gli scienziati sono specializzati nella ricerca di composti che sembrano impossibili, poiché la loro esistenza è contraria alle leggi chimiche conosciute. Utilizzando l'algoritmo di simulazione dei composti chimici USPEX sviluppato dal professor Oganov, predissero l'esistenza di sali "non standard" di sodio e cloro, NaCl3, NaCl7, Na3Cl2, Na2Cl e Na3Cl, che infranse le leggi della chimica, e poi ottenuto questi composti durante gli esperimenti. Hanno anche scoperto diversi ossidi di alluminio "non standard", ossidi di magnesio e altre sostanze.

I composti di calcio e carbonio hanno attirato l'attenzione del gruppo perché le proprietà strutturali ed elettroniche di entrambi gli elementi variano notevolmente a pressioni diverse. In particolare, ad una pressione di 216 GPa, il calcio mostra la più alta temperatura di transizione superconduttiva (29 K) tra gli elementi puri.

Utilizzando il simulatore USPEX, gli scienziati hanno analizzato le proprietà di tutti i possibili carburi che possono essere sintetizzati a pressioni che vanno da normale a 100GPa e hanno rilevato cinque possibili sostanze:Ca5C2, Ca2C, Ca3C2, CaC e Ca2C3.

I loro calcoli hanno mostrato che Ca2C3 rimane stabile a pressioni inferiori a 28 GPa, Ca5C2 a pressioni superiori a 58 GPa, Ca2C - sopra 14 GPa, Ca3C2 - sopra 50GPa, CaC - sopra 26GPa, e CaC2 -sopra 21 GPa. I reticoli cristallini di questi composti contengono strutture carboniche, con forme che vanno dai manubri alle cinture e strati costituiti da esagoni.

Ca2C si è rivelato il composto più peculiare. Come il grafene, ha la struttura e le proprietà di un metallo bidimensionale. Il grafene è un materiale carbonioso, la cui sintesi è valsa ad Andre Geim e Konstantin Novoselov il Premio Nobel 2010. Ma a differenza del grafene, in Ca2C la corrente elettrica percorre gli strati di atomi di calcio, non atomi di carbonio, e ci sono grumi di elettroni liberi negli strati di calcio.

Per confermare le loro previsioni teoriche, Il gruppo di Oganov ha effettuato un esperimento per sintetizzare i composti. Hanno messo una miscela di calcio e carbonio in una cosiddetta cella a incudine di diamante, una camera in cui un campione di materiale è schiacciato tra due diamanti. Le pressioni possono raggiungere centinaia di GPa in tale camera.

Gli scienziati hanno registrato la sintesi di Ca2C3 a pressioni superiori a 10 GPa e temperature vicine a 2000 K, mentreCa2C è stato osservato quando le pressioni superavano i 22 GPa. Utilizzando la radiazione di sincrotrone, il gruppo è stato in grado di confermare l'esistenza di strutture previste teoricamente.

"È possibile trovare applicazioni pratiche per queste sostanze insolite, se sono sintetizzati in quantità sufficienti, " ha detto Oganov.

I carburi bidimensionali con grumi di elettroni liberi sono riduttori unici e possono essere utilizzati nell'industria chimica. I carburi con tre o più atomi di carbonio possono essere utilizzati per sintetizzare idrocarburi non comuni, Oganov ha aggiunto.