Загадочные аномалии могут объяснить одну из главных загадок Земли

Почти столетие геологи не могли ответить на один вопрос: куда делись легкие элементы Земли? По сравнению с Солнцем и некоторыми метеоритами Земля содержит гораздо меньше водорода, углерода, азота и серы, а также таких благородных газов, как гелий. Портал arstechnica.com рассказал о загадке электридов — малоизученных материалов с огромным потенциалом.

По мнению шанхайских экспертов, поглощение этих элементов могло происходить постепенно в течение пары миллиардов лет – и вполне может продолжаться и сегодня. Это могло бы объяснить, почему движение сейсмических волн по Земле показывает, что ядро ​​планеты на 5-8% менее плотное, чем можно было бы ожидать от металла.

Но что такое электриды? Для этого необходимо рассмотреть их основные характеристики. Хотя большая часть твердого вещества состоит из упорядоченных сетей атомов, в электридах есть небольшие карманы, в которых электроны сидят сами по себе.

Обычные металлы имеют электроны, не прикрепленные ни к одному атому — их называют внешними. Они могут свободно перемещаться между атомами, образуя т. н. море электронов; это явление объясняет, почему металлы способны проводить электричество. Но в электридах внешние электроны не могут свободно передвигаться — они расположены в точках между атомами, которые называются неядерными аттракторами.

Именно этот нюанс придает электридам уникальные свойства. Например, в случае железа в ядре Земли отрицательные заряды электронов стабилизируют легкие элементы в неядерных аттракторах, образующихся при очень высоком давлении. Они фактически впитываются в металл, что и объясняет их исчезновение.

Первым металлом, который, по мнению ученых, способен образовывать электрид при высоком давлении, был натрий. Под давлением в 200 гигапаскалей (в 2 миллиона раз выше атмосферного давления) он превращает блестящий, отражающий и проводящий металл в прозрачный, похожий на стекло, изоляционный материал. Более того, этот результат перечеркнул ранние предсказания, сделанные химиками на основе квантовой теории еще в 1990-х годах. А позже теоретические компьютерные расчеты были подтверждены экспериментально: в сентябре 2025 года в монографии был описан эксперимент, в котором кристаллы натрия были зажаты между двумя алмазами.

Еще одна замечательная особенность электридов состоит в том, что они прекрасно подходят на роль катализаторов – веществ, ускоряющих химическую реакцию и уменьшающих количество необходимой для них энергии. Изолированные электроны в неядерных аттракторах позволяют создавать и разрывать связи между атомами, но для практической реализации такого катализатора он должен работать в нормальных условиях.

За последние 10 лет ученые обнаружили ряд таких стабильных электридов, состоящих из неорганических соединений или органических молекул, содержащих атомы металлов. Возможно, одним из наиболее важных является майенит, который был открыт по чистой случайности в Токийском научном институте во время исследований цемента. К 2011 году его начали разрабатывать как более эффективный и экологически чистый катализатор синтеза аммиака, ключевого ингредиента удобрений. А уже в 2019 году открылась первая опытная установка, производящая 20 тонн аммиака ежегодно с использованием майенита.

В то же время список материалов, способных стать электридами, продолжает расти. В 2024 году химики из Университета Лестера в Великобритании случайно обнаружили еще один стабильный при комнатной температуре электрид, состоящий из ионов кальция, окруженных крупными органическими молекулами. В отличие от майенита, он не проводит ток, но может активировать нереакционноспособные связи в сложных реакциях, для которых обычно требуются дорогие палладиевые катализаторы. Есть только одна проблема: Лестерский электрид слишком чувствителен к воде и воздуху, чтобы его можно было использовать в промышленных масштабах.

Однако многие вопросы об электридах до сих пор остаются без ответа, включая их возможное присутствие в ядре Земли. Они недостаточно изучены; Не существует универсальной теории или модели, которая могла бы предсказать, может ли конкретный материал образовывать электрид. Они не характерны для химии, поэтому к ним неприменима научная интуиция химиков. Но алгоритмы машинного обучения, вероятно, смогут распознавать их лучше, чем люди.