Загадка нехватки легких элементов на Земле: разгадка скрыта в её ядре?

Почти столетие геологи ломают голову над загадкой: куда исчезли легкие элементы Земли? По сравнению с их содержанием на Солнце и в некоторых метеоритах, на Земле меньше водорода, углерода, азота, серы, а также благородных газов, таких как гелий, — в некоторых случаях на целых 99 процентов.

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

Недавно группа ученых предложила возможное объяснение — эти элементы скрываются в глубине твердого внутреннего ядра Земли. При колоссальном давлении в 360 гигапаскалей (в 3,6 миллиона раз больше атмосферного) железо ведет себя странно, превращаясь в электрид — малоизученную форму металла, способную поглощать легкие элементы.

Можно сказать, что у электридов наступил звездный час.

Соавтор исследования Дак Юнг Ким, физик-твердотельщик из Шанхайского центра передовых исследований в области науки и технологий высоких давлений, говорит, 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, чем можно было бы ожидать, если бы оно состояло только из чистого металла.

Электриды действительно в центре внимания. Они не только могут помочь решить планетарную загадку, но и теперь их можно синтезировать при комнатной температуре и давлении из ряда элементов. И поскольку все электриды содержат реакционноспособные электроны, которые легко отдаются другим молекулам, они являются идеальными катализаторами и агентами для осуществления сложных химических реакций.

Один из электридов уже используется для катализа производства аммиака, ключевого компонента удобрений; его японские разработчики утверждают, что этот процесс потребляет 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.

Сегодняшняя задача — найти больше этих интригующих материалов и понять химические правила, определяющие условия их образования.

Электриды под высоким давлением

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

В обычных металлах есть электроны, не прикрепленные к одному атому. Эти внешние (валентные) электроны свободно перемещаются между атомами, образуя так называемое делокализованное «электронное море». Это объясняет, почему металлы проводят электричество.

В электридах внешние электроны также больше не вращаются вокруг конкретного атома, но они не могут свободно двигаться. Вместо этого они захватываются в ловушки на участках между атомами, называемых вненочевыми центрами (non-nuclear attractors). Это придает материалам уникальные свойства. В случае железа в ядре Земли отрицательные заряды электронов стабилизируют более легкие элементы во вненочевых центрах, которые формируются под колоссальным давлением, в 3000 раз превышающим давление на дне самой глубокой океанской впадины. Элементы диффундируют в металл, что объясняет, куда они исчезли.

Первым металлом, у которого обнаружили способность образовывать электрид под высоким давлением, стал натрий, о чем сообщили в 2009 году. При давлении в 200 гигапаскалей (в 2 миллиона раз больше атмосферного) он превращается из блестящего, отражающего, проводящего металла в прозрачный стеклообразный изолятор. Это открытие было «очень странным», говорит Стефано Раччоппи, вычислительный и теоретический химик из Кембриджского университета (Великобритания), изучавший электриды натрия в лаборатории Евы Зурек в Университете Буффало (Нью-Йорк, США). Ранние теории, по его словам, предсказывали, что при высоком давлении внешние электроны натрия будут двигаться между атомами еще свободнее.

Первые признаки иного поведения появились благодаря компьютерному моделированию в конце 1990-х годов. Моделирование твердого натрия показало, что при высоких давлениях, когда атомы сжимаются ближе друг к другу, сближаются и орбитали электронов. Это приводит к увеличению сил отталкивания между ними. Как объясняет Раччоппи, это меняет относительную энергию каждого электрона, вращающегося вокруг ядра, что приводит к реорганизации их позиций.

В результате электроны вместо того, чтобы занимать орбитали, позволяющие им быть делокализованными, переходят в состояния, которые заставляют их локализоваться во вненочевых центрах. Поскольку электроны застревают на этих позициях, твердое тело теряет металлические свойства.

Дополняя эту теоретическую работу, Раччоппи и Зурек в сотрудничестве с исследователями из Эдинбургского университета нашли экспериментальное подтверждение существования электрида натрия при экстремальных давлениях. Сжимая кристаллы натрия между двумя алмазами и используя рентгеноструктурный анализ для картирования плотности электронов, они в сентябре 2025 года подтвердили, что электроны действительно локализованы в предсказанных вненочевых центрах между атомами натрия.

Идеальные кандидаты в катализаторы

Электриды — идеальные кандидаты на роль катализаторов, ускоряющих химические реакции и снижающих требуемую для них энергию. Это связано с тем, что изолированные электроны во вненочевых центрах могут быть легко отданы для образования и разрыва химических 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 наиболее значимых, майенит, был найден случайно в 2003 году, когда материаловед Хидэо Хосоно из Токийского научного института исследовал один из видов цемента.

Майенит — это алюминат кальция, образующий кристаллы с очень маленькими порами (несколько нанометров в диаметре), называемыми клетками, которые содержат ионы кислорода. Если через него при высокой температуре пропустить пары кальция или титана, они удалят кислород, оставив в клетках только захваченные электроны — электрид.

В отличие от электридов металлов высокого давления, которые переходят из проводников в изоляторы, майенит изначально является изолятором. Но теперь его захваченные электроны могут «перепрыгивать» между клетками (посредством квантового туннелирования) — делая его проводником, пусть и в 100–1000 раз менее проводимым, чем такие металлы, как алюминий или серебро. Он также становится отличным катализатором, способным отдавать электроны для облегчения реакций.

К 2011 году Хосоно начал разработку майенита в качестве более экологичного и эффективного катализатора для синтеза аммиака. В процессе Габера-Боша катализаторы связывают газы и отдают электроны, чтобы помочь разорвать прочные связи в молекулах азота и водорода. Благодаря сильным электрон-донорным свойствам майенита, Хосоно предположил, что он сможет делать это эффективнее.

В реакции Хосоно майенит сам не связывает газы, а служит подложкой для наночастиц металла рутения. Сначала наночастицы адсорбируют газы, а затем майенит отдает электроны рутению. Эти электроны переходят на молекулы азота и водорода, облегчая разрыв их связей. В результате аммиак образуется при более низкой температуре (300–400°C) и давлении (50–80 атмосфер), чем в процессе Габера-Боша (400–500°C и 100–400 атмосфер).

Компания Tsubame BHB, основанная в 2017 году для коммерциализации катализатора Хосоно, оценивает, что это позволит избежать 11 000 тонн выбросов CO₂ ежегодно — что примерно равно годовым выбросам 2400 автомобилей.

Органические электриды

Список материалов, способных образовывать электриды, продолжает расти. В 2024 году группа под руководством химика Фабрицио Орту из Лестерского университета (Великобритания) случайно открыла еще один стабильный при комнатной температуре электрид, созданный из ионов кальция, окруженных крупными органическими молекулами (координационный комплекс).

В отличие от майенита, этот электрид не является проводником — его захваченные электроны не «перепрыгивают». Но они позволяют ему облегчать трудные реакции, активируя инертные связи, выполняя работу, подобную катализатору. Это реакции, которые в настоящее время зависят от дорогих палладиевых катализаторов.

Однако электрид кальция Орту слишком чувствителен к воздуху и воде для промышленного использования. Он сейчас ищет более стабильную альтернативу, которая могла бы оказаться особенно полезной в фармацевтической промышленности для синтеза лекарственных молекул.

Неразгаданные тайны ядра

Остается много нерешенных загадок, связанных с электридами, включая вопрос, действительно ли внутреннее ядро Земли содержит один из них. Ким и его коллеги использовали моделирование решетки железа, чтобы найти доказательства существования вненочевых центров, но их интерпретация результатов остается «немного спорной», говорит Раччоппи.

Натрий и другие металлы 1-й и 2-й групп периодической таблицы имеют слабо связанные внешние электроны, что облегчает их смещение во вненочевые центры. Но железо сильнее удерживает свои внешние электроны, которые находятся на орбиталях другой формы. Это делает сдвиг к образованию электрида более сложным, поясняет Раччоппи.

Электриды все еще малоизвестны и малоизучены, говорит специалист по компьютерным материалам Ли Бертон из Тель-Авивского университета. До сих пор нет теории или модели, позволяющей предсказать, когда материал станет электридом. «Поскольку электриды нетипичны с химической точки зрения, вы не можете применить к ним обычную химическую интуицию», — говорит он.

Бертон ищет правила, которые могут помочь с предсказаниями, и уже добился некоторого успеха, обнаружив электриды при скрининге 40 000 известных материалов. Теперь он использует искусственный интеллект, чтобы найти больше. «Потенциал огромен», — заключает Бертон.

Эта статья первоначально появилась в журнале Knowable Magazine, некоммерческом издании, посвященном популяризации научных знаний. Оригинальную статью можно прочитать здесь.