En studie från Chalmers tekniska högskola, Sverige, har gett nya svar på grundläggande frågor om förhållandet mellan storleken på en atom och dess andra egenskaper, såsom elektronegativitet och energi. Resultaten banar väg för framsteg i framtida materialutveckling. För första gången, det är möjligt under vissa förutsättningar att utforma exakta ekvationer för sådana samband.

"Kunskap om storleken på atomer och deras egenskaper är avgörande för att förklara kemisk reaktivitet, struktur och egenskaper hos molekyler och material av alla slag. Detta är grundforskning som är nödvändig för att vi ska kunna göra viktiga framsteg, " förklarar Martin Rahm, huvudförfattaren till studien och forskningsledare från institutionen för kemi och kemiteknik vid Chalmers tekniska högskola.

Forskarna bakom studien, bestående av kollegor från universitetet i Parma, Italien, samt Institutionen för fysik vid Chalmers tekniska universitet, har tidigare arbetat med kvantmekaniska beräkningar för att visa hur egenskaperna hos atomer förändras under högt tryck. Dessa resultat presenterades i vetenskapliga artiklar i Journal of the American Chemical Society och ChemPhysChem .

Den nya studien, publiceras i tidskriften Kemivetenskap , utgör nästa steg i deras viktiga arbete, utforska förhållandet mellan en atoms radie och dess elektronegativitet - en viktig del av kemisk kunskap som har eftersträvats sedan 1950-talet.

Upprätta användbara nya ekvationer

Genom att studera hur kompression påverkar enskilda atomer, forskarna har kunnat härleda en uppsättning ekvationer som förklarar hur förändringar i en egenskap – en atoms storlek – kan översättas och förstås som förändringar i andra egenskaper – den totala energin och elektronegativiteten hos en atom. Härledningen har gjorts för speciella tryck, där atomerna kan ta en av två väldefinierade energier, två radier och två elektronegativiteter.

"Denna ekvation kan till exempel, hjälpa till att förklara hur en ökning av en atoms oxidationstillstånd också ökar dess elektronegativitet och vice versa, i fallet med en minskning av oxidationstillståndet, säger Martin Rahm.

En nyckelfråga för vetenskapen om outforskade material

Ett syfte med studien har varit att hjälpa till att identifiera nya möjligheter och möjligheter för produktion av material under högt tryck. I jordens mitt, trycket kan nå hundratals gigapascal – och sådana förhållanden kan uppnås i laboratoriemiljöer idag. Exempel på områden där tryck används idag är syntesen av supraledare, material som kan leda elektrisk ström utan motstånd. Men forskarna ser många ytterligare möjligheter framför sig.

"Tryck är en till stor del outforskad dimension inom materialvetenskap, och intresset för nya fenomen och materialegenskaper som kan realiseras med kompression växer, säger Martin Rahm.

Skapar den databas de själva önskat sig

De stora mängder data som forskarna har beräknat genom sitt arbete har nu sammanfattats i en databas, och görs tillgänglig som en användarvänlig webbapplikation. Denna utveckling sponsrades av Chalmers Area of ​​Advance Materials och möjliggjordes genom ett samarbete med forskargruppen Paul Erhart vid institutionen för fysik på Chalmers.

I webbapplikationen, användare kan nu enkelt utforska hur det periodiska systemet ser ut vid olika tryck. I den senaste vetenskapliga publikationen, forskarna ger ett exempel på hur detta verktyg kan användas för att ge ny insikt om kemi. Järnets och kiselns egenskaper - två vanliga element som finns i jordskorpan, mantel och kärna - jämförs, avslöjar stora skillnader vid olika tryck.

"Databasen är något jag har saknat i många år. Vår förhoppning är att den ska visa sig vara ett användbart verktyg, och användas av många olika kemister och materialforskare som studerar och arbetar med höga tryck. Vi har redan använt det för att vägleda teoretiska sökningar efter nya övergångsmetallfluorider, säger Martin Rahm.