Natrium højtrykstransformation kan fortælle os om det indre af stjerner, planeter

Rejs dybt nok under Jordens overflade eller inde i midten af ​​solen, og stof ændrer sig på atomniveau.

Det stigende tryk i stjerner og planeter kan få metaller til at blive ikke-ledende isolatorer. Natrium har vist sig at forvandle sig fra et skinnende, gråt metal til en gennemsigtig, glaslignende isolator, når det presses hårdt nok.

Nu har et universitet i Buffalo-ledet undersøgelse afsløret den kemiske binding bag dette særlige højtryksfænomen.

Mens det er blevet teoretiseret, at højt tryk i det væsentlige presser natriums elektroner ud i mellemrummene mellem atomer, viser forskernes kvantekemiske beregninger, at disse elektroner stadig meget tilhører de omgivende atomer og er kemisk bundet til hinanden.

"Vi besvarer et meget simpelt spørgsmål om, hvorfor natrium bliver en isolator, men at forudsige, hvordan andre grundstoffer og kemiske forbindelser opfører sig ved meget høje tryk, vil potentielt give indsigt i større spørgsmål," siger Eva Zurek, Ph.D., professor i kemi ved UB College of Arts and Sciences og medforfatter til undersøgelsen, som blev offentliggjort i Angewandte Chemie , et tidsskrift fra German Chemical Society. "Hvordan er det indre af en stjerne? Hvordan genereres planeters magnetiske felter, hvis de faktisk eksisterer? Og hvordan udvikler stjerner og planeter sig? Denne type forskning flytter os tættere på at besvare disse spørgsmål."

Undersøgelsen bekræfter og bygger på de teoretiske forudsigelser fra den afdøde kendte fysiker Neil Ashcroft, hvis minde undersøgelsen er dedikeret til.

Man troede engang, at materialer altid bliver metalliske under højt tryk - ligesom det metalliske hydrogen, der er teoretiseret til at udgøre Jupiters kerne - men Ashcroft og Jeffrey Neatons banebrydende papir for to årtier siden fandt ud af, at nogle materialer, som natrium, faktisk kan blive isolatorer eller halvledere, når de presses. De teoretiserede, at natriums kerneelektroner, menes at være inerte, ville interagere med hinanden og de ydre valenselektroner, når de var under ekstremt tryk.

"Vores arbejde går nu ud over det fysikbillede, der er malet af Ashcroft og Neaton, og forbinder det med kemiske begreber om binding," siger den UB-ledede undersøgelses hovedforfatter, Stefano Racioppi, Ph.D., en postdoc-forsker i UB Department of Chemistry .

Tryk, der findes under jordskorpen, kan være vanskelige at replikere i et laboratorium, så ved hjælp af supercomputere i UB's Center for Computational Research udførte holdet beregninger på, hvordan elektroner opfører sig i natriumatomer, når de er under højt tryk.

Elektronerne bliver fanget i de interspatiale områder mellem atomer, kendt som en elektridetilstand. Dette forårsager natriums fysiske transformation fra skinnende metal til gennemsigtig isolator, da fritflydende elektroner absorberer og gentransmitterer lys, men fangede elektroner tillader simpelthen lyset at passere igennem.

Forskeres beregninger viste dog for første gang, at fremkomsten af ​​elektridetilstanden kan forklares gennem kemisk binding.

Det høje tryk får elektroner til at optage nye orbitaler i deres respektive atomer. Disse orbitaler overlapper derefter hinanden for at danne kemiske bindinger, hvilket forårsager lokaliserede ladningskoncentrationer i de interstitielle områder.

Mens tidligere undersøgelser tilbød en intuitiv teori om, at højtryk pressede elektroner ud af atomer, viste de nye beregninger, at elektronerne stadig er en del af omgivende atomer.

"Vi indså, at disse ikke kun er isolerede elektroner, der besluttede at forlade atomerne. I stedet deles elektronerne mellem atomerne i en kemisk binding," siger Racioppi. "De er ret specielle."

Andre bidragydere omfatter Malcolm McMahon og Christian Storm fra University of Edinburghs School of Physics and Astronomy og Center for Science at Extreme Conditions.

Arbejdet blev støttet af Center for Matter at Atomic Pressure, et National Science Foundation-center ledet af University of Rochester, som studerer, hvordan tryk inde i stjerner og planeter kan omarrangere materialers atomstruktur.

"Det er klart, at det er vanskeligt at udføre eksperimenter, der replikerer f.eks. forholdene i de dybe atmosfæriske lag af Jupiter," siger Zurek, "men vi kan bruge beregninger og i nogle tilfælde højteknologiske lasere til at simulere denne slags forhold. ."

Flere oplysninger: Stefano Racioppi et al., On the Electride Nature of Na‐hP4, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202310802

Journaloplysninger: Angewandte Chemie , Angewandte Chemie International Edition

Leveret af University at Buffalo