Contra-intuïtieve lithiumverbindingen suggereren een route naar supergeleiding bij hoge temperatuur

Onderzoekers van Skoltech, Jiangsu Normal University en elders hebben onverwachte verbindingen voorspeld die worden gevormd door lithium en cesium onder hoge druk. Deze nieuwe stoffen vertonen een onverwachte chemie en nooit eerder geziene kristalstructuren, en bezitten de veelgevraagde eigenschap van supergeleiding, waarbij ze elke elektrische weerstand verliezen onder de kritische temperaturen van ongeveer min 223 tot min 213 graden Celsius. De studie kwam binnen Nano-brieven.

Conventionele chemie zegt dat lithium en cesium geen verbindingen vormen. Maar het blijkt dat als je ze onder druk zet, er toch verschillende verbindingen ontstaan. Sommigen van hen waren al eerder voorspeld, maar een nieuwe studie door een team van Chinese, Russische en Amerikaanse wetenschappers gebruikte een betrouwbaarder algoritme en identificeerde nieuwe en stabielere fasen.

De onderzoekers vertrouwden op fundamentele theoretische principes en het USPEX-voorspellingsalgoritme voor kristalstructuur, eerder ontwikkeld door co-auteur van de studie en Skoltech-professor Artem R. Oganov, om vier lithiumrijke verbindingen te ontdekken met schijnbaar bizarre formules zoals Li₁₄Cs, die je niet zult vinden in een scheikundeboek.

“Onder normale omstandigheden zouden we verwachten dat lithium de elektronen van cesium aantrekt, het meest elektropositieve element in het periodiek systeem zoals de meeste mensen het kennen: het wordt verondersteld elektronen op te geven, punt uit,” merkte Oganov op.

Elektropositiviteit is een fundamentele eigenschap van het atoom van een chemisch element dat kenmerkt hoe gretig het afscheidt van elektronen of, in het geval van elektronegativiteit, eraan vasthoudt. Samen met zijn collega’s schudde Oganov het periodiek systeem door elkaar door het begrip elektronegativiteit uit te breiden naar het rijk van hoge druk.

“Maar onder druk is het andersom”, vervolgt de onderzoeker. “Cesium grijpt de elektronen van lithium en dit hoogst ongebruikelijke chemische gedrag leidt tot de vorming van de vier nieuwe verbindingen, waarvan er twee – Li₁₄Cs en Li₆Cs – blijken voorheen ongeziene kristalstructuurtopologieën te hebben.” Dit is vrij zeldzaam voor verbindingen van slechts twee elementen. “Toch zijn we hier, met twee nieuwe topologieën in één binair systeem,” voegde Oganov eraan toe.

Het team voorspelt dat de vier nieuwe verbindingen van lithium en cesium in staat zouden moeten zijn om elektriciteit zonder weerstand te geleiden. Dat wil zeggen, onder een bepaalde kritische temperatuur, die varieert van ongeveer min 223 tot min 213 graden Celsius, afhankelijk van de specifieke verbinding, zijn ze zogenaamde supergeleiders – materialen waarnaar wetenschappers op zoek zijn in de hoop dat ze op een dag elektriciteitsnetten met ongekende efficiëntie, ultrasnelle microchips en elektromagneten die sterk genoeg zijn om treinen te laten zweven of zelfs fusiereactoren te besturen.

“Zeker, vanuit technologisch oogpunt zijn deze kritische temperaturen niet goed in vergelijking met wat we hebben gezien in polyhydriden – de waterstofrijke verbindingen van sommige metalen. Toch verdiept deze studie ons begrip van lithiumchemie, en lithium als zodanig zou interessant kunnen zijn voor supergeleiding, misschien in de vorm van een hypothetische ‘lithide’-verbinding – tot nu toe weten we niet of het bestaat of hoe we het moeten spellen’, zei Oganov, die uitlegde dat het lithiumatoom erg lijkt op dat van waterstof en daarom zou kunnen ervoor in de plaats komen in een polyhydride-achtige verbinding.

Net als waterstof heeft lithium één valentie-elektron, en het is ook een van de lichtste elementen, wat gunstig is voor supergeleiding: het is bekend dat hoe lager de massa van een atoom, hoe hoger de kritische temperatuur van een bijbehorende supergeleider is.

Net als veel andere anomalieën van hogedrukchemie, werd de inversie van de elektronegativiteit die in deze studie werd gerapporteerd, namelijk lithium dat elektronen afstaat aan cesium, voorspeld door de opnieuw uitgevonden elektronegativiteitsschaal van Dong-Oganov, die vorig jaar werd gepubliceerd.