Новости химической науки > В космосе могут присутствовать химические связи нового типа

Исследователи описывают новый тип химической связи, который отличается от двух классических моделей связывания – ионного и ковалентного.

Новый тип связывания, который предсказан на основании сложных квантово-механических расчетов может реализовываться только в магнитных полях значительной напряженности – в десятки раз более мощных, чем те, которые могут быть созданы в лаборатории. Тем не менее, такие магнитные поля не являются вымыслом – они могут генерироваться вблизи вращающихся звезд определенного типа, например – белых карликов.

Белые карлики могут генерировать магнитные поля гораздо более мощные магнитные поля, чем те, которые можно создать в лаборатории. (Рисунок: © NASA)

Белые карлики - конечная стадия звездной эволюции после исчерпания термоядерных источников энергии звезд средней и малой массы. Они представляют собой сверхплотные (10⁵—10⁹ г/см³) горячие звезды малых размеров из вырожденного газа. Ядерные реакции внутри белого карлика не идут, а свечение происходит за счет медленного остывания. Масса белых карликов не может превышать некоторого значения - это так называемый предел Чандрасекара, равны примерно 1,4 массы Солнца. Солнце в будущем – это белый карлик.

Белый карлик размером с Землю должен обладать массой, примерно составляющей половину массы Солнца. Масса этих звезд и быстрота вращения приводит к тому, что они могут генерировать магнитные поля напряженностью в 100000 Тесла. Для сравнения – напряженность магнитного поля серийного сканера МРТ равна 1.5 Тесла.

Работа, руководителем которой был Тригве Хельгакер (Trygve Helgaker) из Университета Осло, обеспечивает не только подробное рассмотрение фундаментальных взаимодействий электронов в магнитных полях, но также предсказывает возможность существования экзотической химии, наблюдающейся в окружении звезд. Хельгакер отмечает, что связывание атомов на Земле определяется электростатическими взаимодействиями, для которых нем нет необходимости учитывать магнитные взаимодействия. Тем не менее, в присутствии магнитных полей высокой напряженности магнитные силы сравниваются по энергии с кулоновскими силами, что приводит то, что магнитные взаимодействия начинают влиять на всю систему, и появляется возможность проявления экзотических химических свойств.

Исследователи из группы Хельгакера использовали компьютерный метод полной конфигурации взаимодействия [full configuration-interaction (FCI)], позволяющий предсказать, что произойдет с молекулой водорода в магнитном поле сверхвысокой напряженности. Если молекула находится в основном энергетическом состоянии, то увеличение напряженности магнитного поля приводит к увеличению энергии молекулы, а также увеличению прочности связывания при параллельной ориентации молекулы магнитному полю.

Однако, если молекула находится в первом возбужденном состоянии – один электрон находится на связывающей орбитали, а один – на разрыхляющей, обычно молекула распадается на два атома водорода. Тем не менее, в сильном магнитном поле разрушение молекулы не происходит. В этом случае, по словам Хельгакера, орбитали ориентируются перпендикулярно магнитному полю, и возбужденный электрон взаимодействует с магнитным полем таким образом, что энергетически выгодным является связывание двух атомов водорода. Такое связывание не является ни ковалентным, ни ионным – мы имеем дело с третьим типом химической связи – парамагнитной химической связью.

Источник: Science, 2012, 337, 327; DOI: 10.1126/science.1219703

метки статьи: #квантовая химия, #космохимия, #природа химической связи