Иллюстрация, демонстрирующая интенсивные импульсы рентгеновского лазера на свободных электронах (слева), которые нагревают сжатые образцы углеводородов до экстремальных температур, в результате чего золото и водород вступают в реакцию с образованием гидрида золота (в центре). Атомы золота, показанные золотым цветом, закреплены в гексагональной кристаллической решётке, через которую водород, показанный белым цветом, свободно диффундирует в «суперионном» состоянии. Источник: Грег Стюарт/Национальная ускорительная лаборатория SLAC

Ученые из SLAC создали гидрид золота в экстремальных лабораторных условиях. Эта работа проливает свет на процессы, связанные с плотным водородом и термоядерным синтезом.

Случайно и впервые международной группе исследователей под руководством учёных из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США удалось создать твёрдый бинарный гидрид золота — соединение, состоящее исключительно из атомов золота и водорода.

Изначально команда исследователей намеревалась изучить, как углеводороды — молекулы, состоящие из углерода и водорода, — превращаются в алмазы под воздействием экстремального давления и высокой температуры. Во время экспериментов на Европейском рентгеновском лазерном источнике свободного электрона (XFEL) в Германии они поместили образцы углеводородов в тонкий слой золотой фольги, которая должна была поглощать рентгеновские лучи и передавать тепло относительно слабо поглощающим углеводородам. Неожиданно наряду с образованием алмазов они наблюдали образование гидрида золота.

«Это было неожиданно, потому что золото, как правило, очень инертно и химически неактивно — именно поэтому мы используем его в качестве поглотителя рентгеновского излучения в этих экспериментах, — объяснил Манго Фрост, научный сотрудник SLAC и ведущий автор исследования. — Эти результаты говорят о том, что в экстремальных условиях, когда температура и давление начинают конкурировать с обычными химическими процессами, можно открыть множество новых химических соединений».

Результаты исследования, опубликованные в Angewandte Chemie International Edition, демонстрируют, как может кардинально меняться химическое поведение в экстремальных условиях, например на глубине внутри планет или внутри звёзд, где происходит синтез водорода.

Изучение плотного водорода

Чтобы добиться таких результатов, исследователи сжали образцы углеводородов до давления, превышающего давление в мантии Земли, с помощью ячейки с алмазными наковальнями. Затем они подвергли образцы воздействию рентгеновских импульсов от Европейского источника синхротронного излучения, нагрев их до температуры выше 3500 градусов по Фаренгейту. Проанализировав рассеяние рентгеновских лучей на образцах, команда отследила происходящие структурные изменения.

Как и ожидалось, данные подтвердили, что атомы углерода образовали алмазную решётку. Однако они также выявили неожиданные сигналы: атомы водорода вступили в реакцию с золотой фольгой и образовали гидрид золота.

В условиях, созданных в ходе эксперимента, водород находился в плотном «суперионном» состоянии, при котором атомы водорода свободно перемещались внутри жёсткой золотой решётки. Такое поведение повышало проводимость гидрида золота, что позволило по-новому взглянуть на поведение материалов при экстремальных давлениях и температурах.

В экстремальных условиях — например, в недрах планет или при взрыве звёзд — материалы могут переходить в другие экзотические состояния с уникальными характеристиками. В Национальной ускорительной лаборатории SLAC исследователи изучают некоторые из самых экстремальных и экзотических форм материи, когда-либо существовавших, с беспрецедентной точностью. Фото: Национальная ускорительная лаборатория SLAC

Водород, самый лёгкий элемент в периодической таблице, сложно изучать с помощью рентгеновских лучей, поскольку он слабо их рассеивает. Однако в данном случае суперионный водород взаимодействовал с гораздо более тяжёлыми атомами золота, и команда смогла наблюдать влияние водорода на то, как решётка золота рассеивает рентгеновские лучи. «Мы можем использовать решётку золота как индикатор того, что делает водород», — сказал Мунго.

Гидрид золота позволяет изучать плотный атомарный водород в условиях, которые могут быть применимы и в других ситуациях, недоступных для прямого экспериментального исследования. Например, плотный водород находится внутри некоторых планет, поэтому его изучение в лаборатории может помочь нам больше узнать об этих далёких мирах. Это также может дать новое представление о процессах ядерного синтеза внутри звёзд, таких как наше Солнце, и помочь в разработке технологий для использования термоядерной энергии здесь, на Земле.

Изучение новой химии

Это исследование не только открывает путь к изучению плотного водорода, но и позволяет исследовать новые химические соединения. Было обнаружено, что золото, которое обычно считается инертным металлом, образует стабильный гидрид при чрезвычайно высоком давлении и температуре. На самом деле он стабилен только в таких экстремальных условиях, а при охлаждении золото и водород разделяются. Моделирование также показало, что при более высоком давлении в решётке золота может поместиться больше водорода.

Систему моделирования можно расширить и за пределы гидрида золота. «Важно, что мы можем экспериментальным путём создавать и моделировать эти состояния в таких экстремальных условиях, — сказал Зигфрид Гленцер, директор отдела высокой плотности энергии и профессор фотонной науки в SLAC, а также главный исследователь проекта. — Эти инструменты моделирования можно применять для моделирования свойств других экзотических материалов в экстремальных условиях».

Ссылка: “Синтез гидрида золота при высоком давлении и высокой температуре” Мунго Фроста, Килиана Абрахама, Александра Ф. Гончарова, Р. Стюарта Макуильямса, Рэйчел Дж. Хасан, Михала Анджеевски, Карен Аппель, Карстена Бехца, Армина Бергерманна, Даниэль Браун, Елены Быковой, Анны Селесте, Эрика Эдмунда, Николаса Дж. Хартли, Константина Глазырина, Хайнца Граафсма, Николаса Джайзла, Зузаны Конопковой, Торстена Лауруса, Ю Лина, Бернхарда Массани. , Максимилиан Шернер, Максимилиан Шульце, Корнелиус Штром, Минсуэ Тан, Зена Юнес, Герд Штайнле-Нойманн, Рональд Редмер и Зигфрид Х. Гленцер, 4 августа 2025 г., Международное издание Angewandte Chemie. DOI: 10.1002/anie.202505811