Геохимическая загадка, почти сто лет не дававшая покоя ученым, может быть решена. Исследователи предполагают, что легкие элементы, которых не хватает на поверхности нашей планеты, «спрятаны» в твердом внутреннем ядре в особой форме железа, называемой электридом. Это открытие не только объясняет строение Земли, но и обещает прорыв в создании эффективных катализаторов для промышленности.
На протяжении десятилетий ученые не могли понять, куда исчезли легкие элементы с нашей планеты. По сравнению с Солнцем и метеоритами на Земле значительно меньше водорода, углерода, азота, серы и благородных газов. Часть потерь списывали на процесс формирования планеты, но этого было недостаточно для объяснений.
Новая гипотеза, предложенная международной группой исследователей, гласит, что эти элементы находятся в самом центре Земли — в ее твердом внутреннем ядре. При чудовищном давлении в 3,6 миллиона атмосфер железо там превращается в особое состояние электрида. В этой форме металл способен захватывать и удерживать внутри своей кристаллической решетки атомы легких элементов.
Это объясняет данные сейсмологии: плотность внутреннего ядра на 5–8% ниже, чем должна быть, если бы оно состояло только из чистого железа. Процесс «впитывания» элементов, возможно, продолжался миллиарды лет и идет до сих пор.
Открытие имеет не только фундаментальное, но и огромное практическое значение. Электриды — это материалы, в которых электроны не привязаны к атомам, а захвачены в особых «ловушках» в пространстве между ними. Эти свободные электроны можно легко отдавать для участия в химических реакциях, что делает электриды идеальными катализаторами.
Один из таких катализаторов на основе минерала майенита уже используется в Японии для производства аммиака — ключевого компонента удобрений. Этот процесс потребляет на 20% меньше энергии, чем традиционный метод Хабера — Боша, который один отвечает за 2% мирового энергопотребления.
Ученые активно ищут новые электриды. Совсем недавно был случайно открыт органический электрид на основе кальция, который может заменить дорогие палладиевые катализаторы в производстве фармацевтических препаратов. Для поиска таких материалов теперь привлекают искусственный интеллект, который анализирует структуры тысяч соединений в поисках нужных «электронных ловушек».
Исследование электридов соединяет в себе решение глубокой научной загадки о строении нашей планеты и создание технологий будущего. Понимание этих уникальных материалов открывает путь к энергоэффективной химической промышленности, «зеленому» синтезу удобрений и лекарств, а в перспективе — может даже изменить подход к утилизации радиоактивных отходов.
Источник: Live Science
Изображение: CHRISTOPH BURGSTEDT
