Det periodiska systemet har varit ett viktigt grundläggande verktyg för materialforskning sedan det först skapades för 150 år sedan. Nu, Martin Rahm från Chalmers tekniska högskola presenterar en ny artikel som tillför en helt ny dimension till bordet, erbjuder en ny uppsättning principer för materialforskning. Artikeln är publicerad i Journal of the American Chemical Society .

Studien kartlägger hur både elektronegativiteten och elektronkonfigurationen hos element förändras under tryck. Dessa fynd erbjuder materialforskare en helt ny uppsättning verktyg. Först och främst, det betyder att det nu är möjligt att göra snabba förutsägelser om hur vissa element kommer att bete sig vid olika tryck, utan att kräva experimentell testning eller beräkningsmässigt dyra kvantmekaniska beräkningar.

"För närvarande, att leta efter de intressanta föreningar som uppträder under högt tryck kräver en stor investering av tid och resurser, både beräkningsmässigt och experimentellt. Som en konsekvens, endast en liten bråkdel av alla möjliga föreningar har undersökts. Arbetet vi presenterar kan fungera som en guide för att förklara vad man ska leta efter och vilka föreningar man kan förvänta sig när material sätts under högt tryck, säger Martin Rahm, biträdande professor i kemi på Chalmers, som ledde studien.

Vid höga tryck kan atomernas egenskaper förändras radikalt. Den nya studien visar hur elektronkonfigurationen och elektronegativiteten hos atomer förändras när trycket ökar. Elektronkonfiguration är grundläggande för strukturen av det periodiska systemet. Den avgör vilken grupp i systemet olika element tillhör. Elektronegativitet är också ett centralt begrepp inom kemin och kan ses som en tredje dimension av det periodiska systemet. Det indikerar hur starkt olika atomer attraherar elektroner. Tillsammans, elektronkonfiguration och elektronegativitet är viktiga för att förstå hur atomer reagerar med varandra för att bilda olika ämnen. Vid högt tryck, atomer som normalt inte kombineras kan skapa nya, aldrig tidigare sett föreningar med unika egenskaper. Sådana material kan inspirera forskare att prova andra metoder för att skapa dem under mer normala förhållanden, och ge oss ny insikt i hur vår värld fungerar.

"Vid högt tryck, extremt fascinerande kemiska strukturer med ovanliga egenskaper kan uppstå, och reaktioner som är omöjliga under normala förhållanden kan uppstå. Mycket av det vi som kemister vet om grundämnens egenskaper under omgivningsförhållanden stämmer helt enkelt inte längre. Du kan i princip ta mycket av din kemiutbildning och kasta ut den genom fönstret! I tryckdimensionen finns det otroligt många nya kombinationer av atomer att undersöka, säger Martin Rahm.

Ett välkänt exempel på vad som kan hända vid högt tryck är hur diamanter kan bildas av grafit. Ett annat exempel är polymerisation av kvävgas, där kväveatomer tvingas samman för att binda i ett tredimensionellt nätverk. Dessa två högtrycksmaterial är mycket olika varandra. Medan kol behåller sin diamantstruktur, polymeriserat kväve är instabilt och återgår till gasform när trycket släpps. Om kvävets polymerstruktur kunde bibehållas vid normala tryck, det skulle utan tvekan vara den mest energitäta kemiska föreningen på jorden.

För närvarande, flera forskargrupper använder höga tryck för att skapa supraledare – material som kan leda elektricitet utan motstånd. Vissa av dessa högtryckssupraledare fungerar nära rumstemperatur. Om ett sådant material kunde fås att fungera vid normalt tryck, det skulle vara revolutionerande, möjliggör, till exempel, förlustfri kraftöverföring och billigare magnetisk levitation.

"Först och främst, vår studie erbjuder spännande möjligheter att föreslå nya experiment som kan förbättra vår förståelse av elementen. Även om många material från sådana experiment visar sig vara instabila vid normalt tryck, de kan ge oss insikter i vilka egenskaper och fenomen som är möjliga. Stegen därefter kommer att vara att hitta andra sätt att nå samma resultat, säger Martin Rahm.

Högtrycksforskning

Forskningen har teoretiskt förutspått hur naturen hos 93 av de 118 elementen i det periodiska systemet förändras när trycket ökar från 0 pascal upp till 300 gigapascal (GPa). 1 GPa är ungefär 10, 000 gånger trycket på jordens yta. 360 GPa motsvarar det extremt höga tryck som finns nära jordens kärna. Teknik för att återskapa detta tryck finns i olika laboratorier, till exempel, med hjälp av diamantstädceller eller chockexperiment.

"Trycket som vi är vana vid på jordens yta är faktiskt ganska ovanligt, sett ur ett större perspektiv. Förutom att underlätta för högtrycksmaterialsyntes på jorden, vårt arbete kan också möjliggöra en bättre förståelse av processer som sker på andra planeter och månar. Till exempel, i det största havet i solsystemet, många mil under ytan av Jupiters måne Ganymedes. Eller inuti de jättelika planeterna, där trycket är enormt, säger Martin Rahm.

Arbetet gjordes med hjälp av en matematisk modell, där varje atom placerades i mitten av en sfärisk hålighet. Effekten av ökat tryck simulerades genom gradvis minskning av sfärens volym. De fysikaliska egenskaperna hos atomerna i olika kompressionsstadier kunde sedan beräknas med hjälp av kvantmekanik.

Vid högt tryck, atomer och molekyler kommer närmare varandra, och ta sig an olika atomära och elektroniska strukturer. En konsekvens av detta är att material som vanligtvis är halvledare eller isolatorer kan omvandlas till metaller.

Endast vissa material som bildas vid högt tryck behåller sin struktur och egenskaper när de återgår till omgivande tryck.