Omskrivning af det periodiske system ved højtryk

Det periodiske system har været et vigtigt grundlæggende værktøj for materialeforskning, siden det først blev oprettet for 150 år siden. Nu, Martin Rahm fra Chalmers Tekniske Universitet præsenterer en ny artikel, som tilføjer en helt ny dimension til bordet, tilbyder et nyt sæt principper for materialeforskning. Artiklen er publiceret i Journal of the American Chemical Society .

Undersøgelsen kortlægger, hvordan både elektronegativiteten og elektronkonfigurationen af ​​elementer ændrer sig under tryk. Disse resultater tilbyder materialeforskere et helt nyt sæt værktøjer. Primært, det betyder, at det nu er muligt at lave hurtige forudsigelser om, hvordan visse elementer vil opføre sig ved forskellige tryk, uden at kræve eksperimentel test eller beregningsmæssigt dyre kvantemekaniske beregninger.

"I øjeblikket, at søge efter de interessante forbindelser, der optræder under højt tryk, kræver en stor investering af tid og ressourcer, både beregningsmæssigt og eksperimentelt. Som en konsekvens, kun en lille del af alle mulige forbindelser er blevet undersøgt. Det arbejde, vi præsenterer, kan fungere som en guide til at hjælpe med at forklare, hvad man skal kigge efter, og hvilke forbindelser man kan forvente, når materialer sættes under højt tryk, siger Martin Rahm, Adjunkt i kemi på Chalmers, der ledede undersøgelsen.

Ved høje tryk kan atomernes egenskaber ændre sig radikalt. Det nye studie viser, hvordan atomers elektronkonfiguration og elektronegativitet ændrer sig, når trykket stiger. Elektronkonfiguration er fundamental for strukturen af ​​det periodiske system. Det bestemmer, hvilken gruppe i systemet forskellige elementer tilhører. Elektronegativitet er også et centralt begreb i kemi og kan ses som en tredje dimension af det periodiske system. Det angiver, hvor stærkt forskellige atomer tiltrækker elektroner. Sammen, elektronkonfiguration og elektronegativitet er vigtige for at forstå, hvordan atomer reagerer med hinanden og danner forskellige stoffer. Ved højt tryk, atomer, der normalt ikke kombineres, kan skabe nye, aldrig før set forbindelser med unikke egenskaber. Sådanne materialer kan inspirere forskere til at prøve andre metoder til at skabe dem under mere normale forhold, og give os ny indsigt i, hvordan vores verden fungerer.

"Ved højtryk, ekstremt fascinerende kemiske strukturer med usædvanlige kvaliteter kan opstå, og reaktioner, der er umulige under normale forhold, kan forekomme. Meget af det, vi som kemikere ved om grundstoffers egenskaber under omgivende forhold, holder simpelthen ikke længere. Du kan stort set tage meget af din kemiuddannelse og smide den ud af vinduet! I trykdimensionen er der utroligt mange nye kombinationer af atomer at undersøge, siger Martin Rahm.

Et velkendt eksempel på, hvad der kan ske ved højtryk, er, hvordan diamanter kan dannes af grafit. Et andet eksempel er polymerisation af nitrogengas, hvor nitrogenatomer tvinges sammen til at binde sig i et tredimensionelt netværk. Disse to højtryksmaterialer er meget ulige hinanden. Mens kulstof bevarer sin diamantstruktur, polymeriseret nitrogen er ustabilt og vender tilbage til gasform, når trykket slippes. Hvis nitrogenets polymerstruktur kunne opretholdes ved normale tryk, det ville uden tvivl være den mest energitætte kemiske forbindelse på Jorden.

I øjeblikket, flere forskergrupper bruger højtryk til at skabe superledere - materialer, der kan lede elektricitet uden modstand. Nogle af disse højtryks-superledere fungerer tæt på stuetemperatur. Hvis et sådant materiale kunne bringes til at arbejde ved normalt tryk, det ville være revolutionerende, muliggør, for eksempel, tabsfri kraftoverførsel og billigere magnetisk levitation.

"Først og fremmest, vores undersøgelse giver spændende muligheder for at foreslå nye eksperimenter, der kan forbedre vores forståelse af elementerne. Selv hvis mange materialer fra sådanne eksperimenter viser sig ustabile ved normalt tryk, de kan give os indsigt i, hvilke egenskaber og fænomener der er mulige. Trinene derefter vil være at finde andre måder at nå de samme resultater på, siger Martin Rahm.

Højtryksforskning

Forskningen har teoretisk forudsagt, hvordan karakteren af ​​93 af de 118 elementer i det periodiske system ændres, når trykket stiger fra 0 pascal op til 300 gigapascal (GPa). 1 GPa er omkring 10, 000 gange trykket af jordens overflade. 360 GPa svarer til det ekstremt høje tryk, der findes nær Jordens kerne. Teknologi til at genskabe dette pres findes i forskellige laboratorier, for eksempel, ved hjælp af diamantamboltceller eller chokforsøg.

"Det pres, vi er vant til på Jordens overflade, er faktisk ret ualmindeligt, set fra et større perspektiv. Ud over at lette syntesen af ​​højtryksmateriale på Jorden, vores arbejde kan også muliggøre en bedre forståelse af processer, der foregår på andre planeter og måner. For eksempel, i det største hav i solsystemet, mange kilometer under overfladen af ​​Jupiters måne Ganymedes. Eller inde i de gigantiske planeter, hvor presset er enormt, siger Martin Rahm.

Arbejdet blev udført ved hjælp af en matematisk model, hvor hvert atom blev placeret i midten af ​​et sfærisk hulrum. Effekten af ​​øget tryk blev simuleret gennem gradvis reduktion af kuglens volumen. De fysiske egenskaber af atomerne i forskellige kompressionsstadier kunne derefter beregnes ved hjælp af kvantemekanik.

Ved højt tryk, atomer og molekyler kommer tættere på hinanden, og påtage sig forskellige atomare og elektroniske strukturer. En konsekvens af dette er, at materialer, der normalt er halvledere eller isolatorer, kan omdannes til metaller.

Kun nogle materialer, der dannes ved højt tryk, bevarer deres struktur og egenskaber, når de vender tilbage til det omgivende tryk.