Badacze z Uniwersytetu Warszawskiego i Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie wyjaśnili skomplikowane struktury krystaliczne monotlenków metali przejściowych.

Monotlenki metali przejściowych, czyli związki chemiczne o wzorze MO to cenne rudy metali. Już w neolicie używano ich do barwienia ceramiki, a później także szkła. Mają one szerokie zastosowanie praktyczne i cechują się różnorodnymi właściwościami fizykochemicznymi, takimi jak przewodnictwo elektronowe i termiczne oraz właściwościami magnetycznymi i optycznymi. Znanych jest prawie dwadzieścia monotlenków metali przejściowych.

Większość z nich krystalizuje w strukturze regularnej typu chlorku sodu (NaCl), która jest albo idealna, albo nieznacznie zniekształcona ze względu na oddziaływania magnetyczne. Ten ważny typ struktury przejmuje wiele związków nieorganicznych, szczególnie jonowych. Do tej pory naukowcy uważali, że pięć tlenków – miedzi, srebra, palladu, platyny i rtęci – nie pasuje do pozostałych, gdyż krystalizują one w bardziej złożonych strukturach o niższej symetrii.

Dr Mariana Derzsi i prof. Wojciech Grochala z UW oraz prof. Przemysław Piekarz z IFJ PAN wykonali interesujące obliczenia teoretyczne dla tych pięciu związków.

– Każdy z pięciu badanych tlenków okazał się niestabilny w strukturze typu NaCl i dla każdego pojawił się urojony mod fononowy w tym samym punkcie pierwszej strefy Brillouina. Właśnie ta niestabilność powoduje powstawanie w niskiej temperaturze wszystkich typów struktur przyjmowanych przez te tlenki – tłumaczy prof. Wojciech Grochala. – Udało nam się wyjaśnić, w jaki sposób złożone struktury krystaliczne pochodzą od prostego prototypu regularnego. Pozwoli to uzasadnić podobieństwa strukturalne dla różnych tlenków metali przejściowych. Warto zauważyć, że za dystorsje strukturalne odpowiedzialne są w każdym przypadku różne przyczyny sprzężenia elektron-fonon – dodaje.

Model „niestabilności fonowej” jest bardzo ogólny, dlatego zostanie on użyty do wyjaśnienia wielu złożonych struktur krystalicznych pierwiastków i związków chemicznych.

Artykuł „Structures of late transition metal monoxides from John-Teller instabilities in the rock salt lattice” wyjaśniający to zjawisko ukazał się w „Physical Review Letters”. Obliczenia przeprowadzane na komputerach ICM UW z użyciem pakietu Medea trwały ponad rok.