Десятиліттями вчені-геологи ламали голову над разючою невідповідністю: Землі, здається, бракує легких елементів, таких як водень, вуглець, азот, сірка та благородні гази, порівняно з Сонцем і деякими метеоритами. У деяких випадках дефіцит є крайнім – більш ніж на 99% менше, ніж очікувалося. Хоча під час формування планети відбулися деякі втрати, повне пояснення залишалося невловимим… досі.
Останні дослідження показують, що ці відсутні елементи можуть бути заховані глибоко в кам’янистому внутрішньому ядрі Землі. Під величезним тиском – в 3,6 мільйона разів перевищує атмосферний – залізо поводиться незвичайним чином, перетворюючись на “електрід”. Цей маловідомий металевий стан може поглинати легкі елементи, затримуючи їх в унікальних електронних кишенях.
Електродний механізм: нова форма металевого зв’язку
Електриди відрізняються від звичайних металів поведінкою своїх електронів. Замість того, щоб вільно рухатися між атомами, електрони локалізуються в «неядерних атракторах» — просторах між атомами, де вони по суті захоплені. Це явище відбувається через надзвичайне стиснення в ядрі Землі, що змушує електрони займати ці стабільні позиції. Потім захоплені електрони стабілізують легкі елементи, ефективно ховаючи їх у структурі заліза.
Це відкриття допомагає пояснити, чому сейсмічні хвилі показують, що внутрішнє ядро на 5-8% менше, ніж очікувалося, якби воно повністю складалося з металевого заліза. Поглинені світлоелементи зменшують загальну щільність. Дослідники вважають, що цей процес міг тривати мільярди років і, можливо, триває досі.
Вихід за межі планетарних таємниць: електроди як каталізатори та енергозберігачі
Наслідки виходять далеко за межі розуміння складу Землі. Електриди стають перспективними матеріалами для різних застосувань, особливо як каталізатори. Їх унікальна структура, багата електронами, дозволяє прискорювати хімічні реакції шляхом віддачі електронів, що робить їх ідеальними для процесів, які традиційно потребують великої кількості енергії.
Одним із яскравих прикладів є виробництво аміаку. Традиційний процес Хабера-Боша, на частку якого припадає 2% світового споживання енергії, надзвичайно енергоємний. Каталізатори на основі електродів, особливо ті, що використовують майєніт (оксид алюмінію кальцію) як основу для наночастинок рутенію, зменшують споживання енергії на 20%. Японська компанія Tsubame BHB вже комерціалізувала цю технологію, відкривши пілотні заводи в Японії та Бразилії для заміни виробництва добрив на основі викопного палива.
Інші потенційні застосування включають більш ефективне перетворення CO2, більш безпечне знерухомлення ядерних відходів і навіть низькотемпературні супутникові двигуни. Комірчаста структура майєніту може затримувати радіоактивні іони, а його нагріті електрони можуть створювати тягу у вакуумі.
Пошук нових електродів: від кімнатної температури до передбачень ШІ
Дослідники активно вивчають нові електроди, в тому числі органічні комплекси, відкриті за допомогою «механічної хімії» (подрібнення високої енергії). Ці матеріали демонструють подібні каталітичні властивості, але часто страждають від чутливості до повітря та води. Вчені працюють над стабілізацією їх для промислового застосування, особливо у фармацевтичному синтезі, де паладієві каталізатори часто дорогі та неефективні.
Прогнозування утворення електриду залишається проблемою. Сучасні моделі ґрунтуються на квантово-теоретичному моделюванні та, все частіше, на штучному інтелекті. Навчаючи алгоритми на існуючих даних, дослідники сподіваються ідентифікувати нові матеріали з правильною електронною конфігурацією для поведінки електриків. Ця галузь все ще знаходиться в зародковому стані, але потенціал для відкриття матеріалів з унікальними властивостями величезний.
Відкриття електродів відкриває новий погляд не лише на склад нашої планети, а й на майбутнє енергоефективної хімії та матеріалознавства.
