Res tillräckligt djupt under jordens yta eller inuti solens centrum, och materia förändras på atomnivå.
Det ökande trycket inom stjärnor och planeter kan göra att metaller blir icke-ledande isolatorer. Natrium har visat sig förvandlas från en glänsande, grå metall till en transparent, glasliknande isolator när den pressas tillräckligt hårt.
Nu har en studie ledd av University at Buffalo avslöjat den kemiska bindningen bakom just detta högtrycksfenomen.
Även om det har föreslagits att högt tryck i huvudsak pressar ut natriums elektroner i utrymmena mellan atomerna, visar forskarnas kvantkemiska beräkningar att dessa elektroner fortfarande i hög grad tillhör de omgivande atomerna och är kemiskt bundna till varandra.
"Vi svarar på en mycket enkel fråga om varför natrium blir en isolator, men att förutsäga hur andra grundämnen och kemiska föreningar beter sig vid mycket höga tryck kommer potentiellt att ge insikt i större frågor", säger Eva Zurek, Ph.D., professor i kemi vid UB College of Arts and Sciences och medförfattare till studien, som publicerades i Angewandte Chemie , en tidskrift från German Chemical Society. "Hur är det inre av en stjärna? Hur genereras planeternas magnetfält, om det verkligen finns några? Och hur utvecklas stjärnor och planeter? Den här typen av forskning flyttar oss närmare svaret på dessa frågor."
Studien bekräftar och bygger på de teoretiska förutsägelserna från den framlidne kända fysikern Neil Ashcroft, vars minne studien är tillägnad.
Man trodde en gång i tiden att material alltid blir metalliskt under högt tryck – som det metalliska vätet som teoretiserats för att utgöra Jupiters kärna – men Ashcroft och Jeffrey Neatons brytningspapper för två decennier sedan fann att vissa material, som natrium, faktiskt kan bli isolatorer eller halvledare när de kläms. De ansåg att natriums kärnelektroner, som troddes vara inerta, skulle interagera med varandra och de yttre valenselektronerna under extremt tryck.
"Vårt arbete går nu bortom den fysikbild som målats upp av Ashcroft och Neaton, och kopplar den till kemiska begrepp om bindning", säger den UB-ledda studiens huvudförfattare, Stefano Racioppi, Ph.D., en postdoktor vid UB Department of Chemistry .
Tryck som hittas under jordskorpan kan vara svåra att replikera i ett labb, så med hjälp av superdatorer i UB:s Center for Computational Research gjorde teamet beräkningar på hur elektroner beter sig i natriumatomer under högt tryck.
Elektronerna blir fångade i de interspatiala regionerna mellan atomer, känt som ett elektridtillstånd. Detta orsakar natriums fysiska omvandling från glänsande metall till genomskinlig isolator, eftersom friflytande elektroner absorberar och återsänder ljus men instängda elektroner låter helt enkelt ljuset passera igenom.
Forskarnas beräkningar visade dock för första gången att uppkomsten av elektridtillståndet kan förklaras genom kemisk bindning.
Det höga trycket får elektroner att ockupera nya orbitaler inom sina respektive atomer. Dessa orbitaler överlappar sedan varandra för att bilda kemiska bindningar, vilket orsakar lokaliserade laddningskoncentrationer i de interstitiella regionerna.
Medan tidigare studier erbjöd en intuitiv teori om att högtryck pressade ut elektroner ur atomer, fann de nya beräkningarna att elektronerna fortfarande är en del av omgivande atomer.
"Vi insåg att dessa inte bara är isolerade elektroner som bestämde sig för att lämna atomerna. Istället delas elektronerna mellan atomerna i en kemisk bindning", säger Racioppi. "De är ganska speciella."
Andra bidragsgivare är Malcolm McMahon och Christian Storm från University of Edinburghs School of Physics and Astronomy och Centre for Science at Extreme Conditions.
Arbetet stöddes av Center for Matter at Atomic Pressure, ett National Science Foundation-center som leds av University of Rochester som studerar hur tryck inuti stjärnor och planeter kan omordna materials atomstruktur.
"Självklart är det svårt att genomföra experiment som replikerar, säg, förhållandena inom Jupiters djupa atmosfäriska skikt," säger Zurek, "men vi kan använda beräkningar, och i vissa fall, högteknologiska lasrar, för att simulera dessa typer av förhållanden. ."
Mer information: Stefano Racioppi et al, On the Electride Nature of Na‐hP4, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202310802
Journalinformation: Angewandte Chemie , Angewandte Chemie International Edition
Tillhandahålls av University at Buffalo
