Исследователи Института физики Казанского федерального университета расшифровали структуру жидкой сурьмы и объяснили природу наблюдаемых структурных аномалий.

Работа выполнена в научно-исследовательской лаборатории «Информационные технологии в физическом материаловедении», созданной в Институте физики КФУ в рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет–2030» под руководством заведующего кафедрой вычислительной физики Института физики КФУ Анатолия Мокшина.

Полученные научные результаты представлены в статье, опубликованной в Journal of Molecular Liquids.

Сурьма широко используется при производстве материалов для электроники, а также металлических сплавов, стойких к коррозии и высоким температурам.

«Расплав сурьмы интересен тем, что вблизи температуры плавления атомы в этом расплаве могут образовывать связанные структуры в виде компактных кластеров или протяженных цепочек и достаточно долгое время находиться в связанном состоянии. Мы выяснили, что элементарной единицей этих структур являются связанные тройки примыкающих друг к другу атомов –триплеты, а центры масс этих связанных атомов располагаются в вершинах прямоугольных треугольников. Именно из этих триплетов образуются более крупные структуры, наличием которых обусловлены аномальные структурные особенности, детектируемые в экспериментах по нейтронной и рентгеновской дифракции», – пояснил профессор А. Мокшин.

Использованный представителями КФУ метод компьютерного моделирования, основанный на квантово-химических расчетах, позволил с высокой точностью воспроизвести аномалии в структуре расплавленной сурьмы.

По словам доцента кафедры вычислительной физики и моделирования физических процессов Института физики КФУ Булата Галимзянова, эти структурные аномалии проявляются в виде дополнительных всплесков на экспериментальных нейтронных и рентгеновских дифрактограммах. И хотя все это исследователями экспериментально регистрируется уже на протяжении определенного времени, тем не менее вплоть до настоящего времени ведутся споры относительно физической природы этих экспериментально наблюдаемых особенностей.

«Примечательно то, что подобные структурные аномалии наблюдаются в расплаве чистого висмута, который так же, как и сурьма, относится к химической группе пниктогенов. Мы обнаружили, что вблизи температуры плавления в висмуте также могут формироваться связанные долгоживущие структуры. Это говорит о том, что физические процессы в этих расплавах могут быть описаны единым образом», – пояснил ассистент кафедры вычислительной физики и моделирования физических процессов Института физики КФУ Артем Цыганков.

Полученные результаты, уверены физики КФУ, вносят большой вклад в понимание фундаментальных процессов, происходящих на масштабах, сопоставимых с размерами атомов и молекул, а также имеют практическую значимость, так как могут быть использованы в дизайне новых материалов с уникальным сочетанием физико-химических свойств.