Загадочные аномалии могут объяснить одну из главных тайн Земли

На протяжении почти века геологи не могли ответить на один вопрос: куда пропали легкие элементы Земли? По сравнению с Солнцем и некоторыми метеоритами, в Земле содержится куда меньше водорода, углерода, азота и серы, а также благородных газов, вроде гелия. Портал arstechnica.com рассказал о загадке электридов — малоизученных материалов с огромным потенциалом.

Недавно команда ученых из шанхайского Центра передовых исследований в области науки и технологий высокого давления предложили возможное объяснение загадки. На самом деле, элементы могут скрываться глубоко в твердом внутреннем ядре Земли. При очень высоком давлении (в 3,6 млн раз выше атмосферного) свойства железа меняются, и оно превращается в электрид — малоизученную форму металла, которая способна впитывать более легкие элементы.

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

Но что вообще собой представляют электриды? Для этого нужно рассмотреть их базовые характеристики. Если большинство твердых материй состоят из упорядоченных сеток атомов, то у электридов есть маленькие карманы, где электроны находятся сами по себе.

У обычных металлов есть электроны, не привязанные к одному атому — их называют внешними. Они могут свободно перемещаться между атомами, формируя т.н. море электронов; этот феномен объясняет, почему металлы способны проводить электричество. А вот у электридов внешние электроны не могут перемещаться свободно — они находятся в точках между атомами, которые называют неядерными аттракторами.

И именно этот нюанс придает электридам уникальные свойства. Например, в случае железа в ядре Земли, негативные заряды электронов стабилизируют легкие элементы в неядерных аттракторах, сформировавшихся при очень высоком давлении. Они фактически впитываются в металл, что и объясняет их пропажу.

Первым металлом, который, по наблюдениям ученых, способен формировать электрид при высоком давлении, стал натрий. При давлении в 200 гигапаскалей (в 2 млн. раз выше атмосферного) он превращается блестящий, рефлективный, проводящий ток металл превращается в прозрачный, стеклоподобный, инсулирующий материал. Причем этот результат перечеркнул ранние предсказания, сделанные химиками на базе квантовой теории еще в 1990-х. А позже теоретические компьютерные симуляции подтвердили опытным путем: в сентябре 2025-го монография описала опыт, в ходе которого кристаллы натрия сжали между двумя алмазами.

Другая примечательная черта электридов в том, что они отлично подходят на роль катализаторов — субстанций, ускоряющих химическую реакцию и снижающих объем энергии, необходимый для них. Изолированные электроны в неядерных аттракторах позволяют создавать и разрушать связи между атомами, но для того, чтобы такой катализатор был практичным, он должен работать в обычных условиях.

За прошедшие 10 лет ученые нашли ряд таких стабильных электридов, состоящих из неорганических соединений или органических молекул, содержащих атомы металлов. Пожалуй, один из самых важных — майенит, по чистой случайности открытый в Институте наук Токио во время исследования цемента. К 2011-му его начали разрабатывать в качестве более эффективного и экологически чистого катализатора для синтеза аммиака — ключевого ингредиента удобрений. А уже в 2019-м открылся первый пилотный завод, который производит 20 метрических тонн амиака ежегодно с помощью майенита.

При этом список материалов, способных стать электридами, продолжает расти. В 2024-м химики из Лестерского университета в Великобритании случайно открыли еще один стабильный при комнатной температуре электрид из ионов кальция, окруженных крупными органическими молекулами. В отличие от майенита, он не проводит ток, но может активировать нереактивные связи в сложных реакциях, которые обычно требуют дорогих палладиевых катализаторов. Проблема только одна: лестерский электрид слишком чувствителен к воде и воздуху для использования в индустриальных масштабах.

Тем не менее, многие вопросы об электридах по-прежнему остаются без ответа — включая их возможное присутствие в ядре Земли. Они недостаточно хорошо изучены; нет какой-либо универсальной теории или модели, способной предсказать, может ли тот или иной материал сформировать электрид. Они нетипичны для химии, поэтому к ним неприменима научная интуиция химиков. Но, вероятно, алгоритмы на базе машинного обучения смогут опознавать их лучше, чем люди.