Гиперкубан в кристаллах

Куб — одна из самых простых фигур, однако он остается экзотикой для мира углеводородных молекул, которые принимают самые причудливые формы. Кубическая углеводородная молекула была получена путем сложного и многоступенчатого синтеза лишь в 1964 году.

Кубан (C₈H₈) оказался очень устойчивым и плотным соединением, почти вдвое плотнее бензина. C₈H₈ стал родоначальником целого семейства молекул, которые применяют как лекарства и эффективные топлива.

В 2014 году химик Фабио Пичиерри, вдохновленный успехом кубана, предложил еще более сложную молекулу — гиперкубан (C₄₀H₂₄), которая имеет две оболочки, вложенные одна в другую. Форма молекулы похожа на геометрическую проекцию на наше трехмерное пространство экзотической четырехмерной фигуры. Это четырехмерный куб или гиперкуб. Три года назад китайские ученые исследовали двумерные кристаллы на основе молекулы C₄₀H₂₄.

В МИФИ гиперкубан начали изучать в 2017 году. Сначала казалось, что молекула такой формы должна моментально рассыпаться. Однако расчеты показали, что при комнатной температуре она может существовать около 3 миллионов лет. Физики решили пойти дальше и проверить, сможет ли молекула гиперкубана образовать трехмерные кристаллы. Для этого ученые под руководством профессоров К.П. Катина и М.М. Маслова провели квантово-механическое моделирование, построили структурные модели кристаллов и рассчитали их оптические свойства.

Результаты превзошли все ожидания. Оказалось, что гиперкубан может образовать все три типа кубических кристаллических решеток: простую, объемно-центрированную и гранецентрированную. Их плотность не превышает плотности алмаза. Первые две формы оказались полупроводниками, последняя — проводником. Расчеты инфракрасных и рамановских спектров позволили определить характеристические пики, которые послужат маркерами для идентификации кристаллов в случае успешного синтеза. Ученые также получили формы спектров в видимой и ультрафиолетовой области.

Физики предполагают, что необычное электронные и оптические свойства кристаллических форм гиперкубана, а также их прочность и стабильность, сделают эти формы полезными материалами для изготовления фотокализаторов и электронных устройств. Ученые продолжают исследования. Сейчас в надежде на скорейший синтез кристаллов они оценивают возможности их применения в литий-ионных аккумуляторах. Результаты работы опубликованы в научном журнале Materials Today Communications.