Артем Оганов: Натрий: новая алхимия

Впервые я увидел натрий, когда мне было cемь лет. Мама водила меня на лекцию в Политехнический музей. Лектор доставал кусочек металла из сосуда с маслом (иначе его хранить нельзя — окислится) и опускал в воду. Натрий реагировал с водой, шипел, ведь происходило вот что: 

Na + H₂O = NaOH + 0.5H₂ 

В таблице Менделеева есть четкое разделение на два блока: металлы и неметаллы. Натрий — это типичнейший металл. Сейчас объясню, что это значит. 

Неметаллы — это такие вещества, у которых электроны находятся близко к ядрам их атомов, летают вокруг них по так называемым орбиталям. Это выглядит так: 

А металл — это вещество, в котором, наоборот, царит коммунизм: электроны летают вокруг ядер как попало. Электроны одинаково принадлежат всем ядрам — и никому. Мы называем это «электронный газ», хаотичным движением частиц. Именно из-за этого металлам присущи блеск (то есть они очень хорошо отражают свет), электропроводность и ряд других свойств. 

Металл — это вещество в отчаянии. Вещества не любят быть металлами, но их можно к этому вынудить. Металлическое состояние царит при сверхвысоких давлениях, таких как в недрах планет-гигантов; это своего рода пришельцы из мира высоких давлений. Если неметалл поместить в такие условия — он делается металлом. Например, водород в недрах Юпитера и Сатурна так сжат, что превращается в металл. 

Натрий, который так понравился мне на той лекции, — это металл из металлов, самый типичный пример металла: электропроводный, со всеми вступает в реакцию, блестит... Но вот как-то раз мы с коллегами, изучая разные элементы, случайно решили применить к натрию мой расчетный метод, который позволяет узнать, что будет с веществом под давлением. Результаты вычислений говорили: натрий должен перестать быть металлом. 

Когда я это понял, то был потрясен. Это настоящее алхимическое чудо: главный металл делается под давлением неметаллом. Mы быстро написали статью на эту тему, отправили в Nature, самый престижный научный журнал, но ее завернули: нужны были экспериментальные доказательства. 

И вот тогда я связался со своим знакомым — Михаилoм Еремцом, который, кстати, тоже из России, работает в Институте Макса Планка в Майнце (Германия). Я попросил его проверить, что будет, если натрий поместить под давление, близкое к давлению в центре Земли. Он взял кусочек натрия диаметром в одну тысячную диаметра волоса и зажал его между двумя алмазными наковальнями, площадь которых совпадает с площадью сечения волоса. Эти наковальни можно сближать при помощи винтов, которые закручиваются просто руками. Давление получается два миллиона атмосфер. Это потому, что площадь наковален маленькая. Знаете, какое возникает давление, когда вы скребете кончиком ногтя по бумаге? 6-7 тысяч атмосфер! 

Мы все время созванивались по скайпу. Когда Михаил позвонил и сказал, что все получилось, я прыгал от восторга, чувствовал эйфорию, что-то вроде легкого опьянения. В алмазных тисках натрий стал прозрачным, как рубин, а металлы, как я говорил, наоборот, блестят. И еще у него упала электропроводность. Словом — неметалл. 

На самом правом фото натрий под давлением 2 млн атм. Ярко-желтые лучи проходят сквозь образец, и он светится, как янтарь

В марте этого года нашу статью опубликовали. Я не могу сказать, что у этого открытия есть какое-то немедленное практическое применение. Это скорее из разряда фундаментальных знаний о веществе. В такие моменты я чувствую: мне есть что рассказать дочке об устройстве мира и ей будет интересно. 

Фото предоставлено автором