Тайна исчезнувших элементов Земли: Новые подсказки спрятаны в сердце планеты

Почти столетие геоученые ломали голову над загадкой: куда исчезли легкие элементы Земли? По сравнению с их количеством на Солнце и в некоторых метеоритах, на нашей планете значительно меньше водорода, углерода, азота, серы, а также благородных газов, таких как гелий — в некоторых случаях на 99% и более.

Часть этого несоответствия объясняется потерей элементов в космическое пространство во время формирования планеты. Однако исследователи давно подозревали, что дело не только в этом.

Недавно команда ученых представила возможное объяснение — эти элементы скрываются в глубинах твердого внутреннего ядра Земли. При экстремальном давлении в 360 гигапаскалей (в 3.6 миллиона раз выше атмосферного) железо там ведет себя странным образом, превращаясь в электрид — малоизученную форму металла, способную поглощать легкие элементы.

Соавтор исследования Дак Ён Ким, физик-исследователь твердого тела из Шанхайского центра передовых исследований науки и технологий высоких давлений, предполагает, что поглощение этих легких элементов могло происходить постепенно в течение пары миллиардов лет — и, возможно, продолжается до сих пор. Это объяснило бы, почему движение сейсмических волн через Землю указывает на плотность внутреннего ядра на 5-8% ниже ожидаемой, если бы оно состояло только из металла.

Электриды переживают свой звездный час сразу в нескольких отношениях. Они не только могут помочь решить планетарную загадку, но и теперь их можно создавать при комнатной температуре и давлении из ряда элементов. И поскольку все электриды содержат источник реакционноспособных электронов, которые легко отдаются другим молекулам, они являются идеальными катализаторами и агентами для проведения сложных реакций.

Один электрид уже используется для катализа производства аммиака — ключевого компонента удобрений; его японские разработчики утверждают, что процесс расходует на 20% меньше энергии, чем традиционное производство аммиака. Химики, в свою очередь, открывают новые электриды, которые могут привести к более дешевым и экологичным методам производства фармацевтических препаратов.

Электриды под высоким давлением

Большинство твердых тел состоят из упорядоченных решеток атомов, но электриды отличаются. В их решетках есть крошечные полости, где электроны существуют сами по себе.

В нормальных металлах электроны не привязаны к одному атому. Это внешние, или валентные, электроны, свободно перемещающиеся между атомами, образуя так называемое «электронное море». Это объясняет, почему металлы проводят электричество.

Внешние электроны электридов также больше не вращаются вокруг конкретного атома, но они не могут свободно перемещаться. Вместо этого они захватываются в участках между атомами, называемых внеядерными центрами притяжения. Это придает материалам уникальные свойства. В случае железа в ядре Земли отрицательные заряды электронов стабилизируют легкие элементы в этих внеядерных центрах, образовавшихся под колоссальным давлением. Элементы диффундируют в металл, что и объясняет, куда они исчезли.

Первым металлом, у которого при высоком давлении обнаружили свойства электрида, стал натрий (2009 г.). При давлении в 200 гигапаскалей он превращается из блестящего проводящего металла в прозрачный стеклообразный изолятор. Это открытие было «очень странным», отмечает Стефано Рачоппи, вычислительный химик из Кембриджского университета, работавший над электридами натрия. Ранние теории предсказывали, что при высоком давлении внешние электроны натрия будут двигаться между атомами еще свободнее.

Идеальные кандидаты в катализаторы

Электриды — идеальные кандидаты на роль катализаторов, ускоряющих химические реакции и снижающих энергию их активации. Это происходит благодаря изолированным электронам во внеядерных центрах, которые можно отдавать для разрыва и образования связей. Но чтобы быть полезными, они должны работать в обычных условиях.

За последние 10 лет было обнаружено несколько таких стабильных электридов, созданных из неорганических соединений или органических молекул, содержащих атомы металлов. Один из самых значимых, майенит, был найден случайно в 2003 году японским ученым Хидэо Хосоно при исследовании одного из видов цемента.

Майенит — это алюминат кальция, образующий кристаллы с нанопорами («клетками»), содержащими ионы кислорода. Если пропустить над ним пары кальция или титана при высокой температуре, кислород удаляется, оставляя лишь захваченные в этих клетках электроны — электрид.

В отличие от металлических электридов высокого давления, которые превращаются из проводников в изоляторы, майенит изначально является изолятором. Но теперь его захваченные электроны могут перепрыгивать между клетками (через квантовое туннелирование), делая его проводником, хотя и в 100-1000 раз менее проводящим, чем алюминий или серебро. Он также становится отличным катализатором.

К 2011 году Хосоно начал разрабатывать майенит как более «зеленый» и эффективный катализатор для синтеза аммиака. В его реакции майенит сам не связывает газы, а служит подложкой для наночастиц металла рутения. Майенит отдает электроны рутению, которые облегчают разрыв прочных связей в молекулах азота и водорода. В результате аммиак образуется при более низких температуре и давлении, чем в традиционном процессе Габера-Боша, что экономит энергию.

В 2017 году для коммерциализации катализатора Хосоно была основана компания Tsubame BHB. Ее пилотная установка производит аммиак с меньшим углеродным следом. По оценкам компании, это позволит избежать тысяч тонн выбросов CO2 ежегодно.

Майенит также исследуется для конверсии CO2 в полезные химикаты, иммобилизации радиоактивных отходов и даже в качестве низкотемпературной двигательной установки для спутников.

Органические электриды

Список материалов, образующих электриды, продолжает расти. В 2024 году команда под руководством химика Фабрицио Орту из Лестерского университета (Великобритания) случайно обнаружила еще один стабильный при комнатной температуре электрид на основе комплекса кальция с большими органическими молекулами.

Ученые использовали его для облегчения реакции соединения пиридиновых колец — трудноосуществимой без дорогих палладиевых катализаторов. Проблема в том, что этот электрид слишком чувствителен к воздуху и воде для промышленного использования. Орту ищет более стабильные альтернативы, которые могли бы революционизировать синтез фармацевтических препаратов.

Неразгаданные загадки ядра

Остается много нерешенных вопросов об электридах, в том числе о том, действительно ли внутреннее ядро Земли их содержит. Хотя моделирование Ким и его коллег указало на возможные внеядерные центры притяжения в железе, эта интерпретация остается предметом научных дискуссий.

Электриды все еще малоизучены, говорит вычислительный материаловед Ли Бертон из Тель-Авивского университета. До сих пор нет теории или модели, надежно предсказывающей, когда материал станет электридом. «Поскольку электриды не являются типичными с химической точки зрения, вы не можете применить к ним обычную химическую интуицию», — отмечает он.

Команда Бертона использует искусственный интеллект для поиска новых электридов среди тысяч известных материалов. Ключ — в наличии надежных данных для обучения модели. Потенциал, по словам Бертона, огромен: от разгадки тайн нашей планеты до создания принципиально новых материалов для энергетики, химической промышленности и освоения космоса.