Natuklasan ng mga mananaliksik na sa ilalim ng matinding presyon, ang mga electron ng sodium ay nananatiling nakagapos sa mga atomo, na nagiging sanhi upang ito ay maging isang transparent na insulator. Hinahamon ng paghahanap na ito ang mga nakaraang teorya at nagbibigay ng mga insight sa atomic na pag-uugali ng bagay sa mga celestial body. Pinasasalamatan: SciTechDaily.com
Inihayag ng mga siyentipiko kung paano nagbubuklod ng kemikal ang mga electron ng elemento kapag nasa ilalim ng mga pressure tulad ng matatagpuan sa ilalim ng crust ng Earth.
Maglakbay nang malalim sa ilalim ng ibabaw ng Earth o sa loob ng gitna ng Araw, at nagbabago ang bagay sa isang atomic na antas.
Ang tumataas na presyon sa loob ng mga bituin at planeta ay maaaring maging sanhi ng mga metal na maging nonconducting insulators. Ipinakita na ang sodium ay nagbabago mula sa isang makintab, kulay-abo na metal tungo sa isang transparent, parang salamin na insulator kapag piniga nang husto.
“Ang paghula kung paano kumikilos ang iba pang mga elemento at mga compound ng kemikal sa napakataas na presyon ay maaaring magbigay ng pananaw sa mga tanong na may mas malaking larawan.” — Eva Zurek, propesor ng kimika, Unibersidad sa Buffalo Kolehiyo ng Sining at Agham
Mga Bagong Insight sa High-Pressure Phenomena
Ngayon, ang isang pag-aaral na pinamumunuan ng Unibersidad sa Buffalo ay nagsiwalat ng chemical bonding sa likod ng partikular na high-pressure phenomenon na ito.
Bagama’t pinaniniwalaan na ang mataas na presyon ay talagang pinipiga ang mga electron ng sodium sa mga puwang sa pagitan ng mga atomo, ang mga kalkulasyon ng quantum chemical ng mga mananaliksik ay nagpapakita na ang mga electron na ito ay nabibilang pa rin sa mga nakapaligid na atomo at chemically bonded sa isa’t isa.
Mga Implikasyon para sa Pag-unawa sa Mga Katawang Celestial
“Sumasagot kami ng napakasimpleng tanong kung bakit nagiging insulator ang sodium, ngunit ang paghula kung paano kumikilos ang iba pang mga elemento at mga kemikal na compound sa napakataas na presyon ay posibleng magbigay ng pananaw sa mga tanong na may mas malaking larawan,” sabi ni Eva Zurek, PhD, propesor ng chemistry sa ang UB College of Arts and Sciences at co-author ng pag-aaral, na na-publish sa Angewandte Chemieisang journal ng German Chemical Society.
“Ano ang loob ng isang bituin? Paano nabuo ang mga magnetic field ng mga planeta, kung mayroon nga? At paano umuunlad ang mga bituin at planeta? Ang ganitong uri ng pananaliksik ay naglalapit sa amin sa pagsagot sa mga tanong na ito,” patuloy ni Zurek.
Hinahamon ang mga Itinatag na Teorya
Kinukumpirma at itinatayo ng pag-aaral ang mga teoretikal na hula ng yumaong kilalang physicist na si Neil Ashcroft, na ang memorya ay nakatuon sa pag-aaral.
Minsan ay naisip na ang mga materyales ay palaging nagiging metal sa ilalim ng mataas na presyon – tulad ng metallic hydrogen na pinag-teoryang bumubuo Jupiterang core — ngunit ang seminal paper nina Ashcroft at Jeffrey Neaton dalawang dekada na ang nakakaraan ay natagpuan ang ilang mga materyales, tulad ng sodium, ay maaaring maging insulator o semiconductor kapag pinipiga. Itinuro nila na ang mga pangunahing electron ng sodium, na inaakalang hindi gumagalaw, ay makikipag-ugnayan sa isa’t isa at sa mga panlabas na valence electron kapag nasa ilalim ng matinding presyon.
“Ang aming trabaho ngayon ay higit pa sa larawan ng pisika na ipininta ni Ashcroft at Neaton, na nagkokonekta nito sa mga kemikal na konsepto ng pagbubuklod,” sabi ng nangungunang may-akda ng pag-aaral na pinangungunahan ng UB, Stefano Racioppi, PhD, isang postdoctoral researcher sa UB Department of Chemistry.
Pag-uugali ng Electron sa High-Pressure na Kapaligiran
Ang mga pressure na makikita sa ibaba ng Earth’s crust ay maaaring maging mahirap na kopyahin sa isang lab, kaya gamit ang mga supercomputer sa UB’s Center for Computational Research, ang koponan ay nagpatakbo ng mga kalkulasyon sa kung paano kumikilos ang mga electron sa mga sodium atom kapag nasa ilalim ng mataas na presyon.
Ang mga electron ay nakulong sa loob ng mga interspatial na rehiyon sa pagitan ng mga atomo, na kilala bilang isang electride state. Nagiging sanhi ito ng pisikal na pagbabagong-anyo ng sodium mula sa makintab na metal patungo sa transparent na insulator, dahil ang mga free-flowing electron ay sumisipsip at muling nagpapadala ng liwanag ngunit ang mga nakakulong na electron ay pinapayagan lamang ang liwanag na dumaan.
Ipinapaliwanag ng Chemical Bonding ang Electride State Emergence
Gayunpaman, ang mga kalkulasyon ng mga mananaliksik ay nagpakita sa unang pagkakataon na ang paglitaw ng estado ng electride ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng chemical bonding.
Ang mataas na presyon ay nagiging sanhi ng mga electron upang sakupin ang mga bagong orbital sa loob ng kani-kanilang mga atomo. Ang mga orbital na ito ay magkakapatong sa isa’t isa upang bumuo ng mga kemikal na bono, na nagiging sanhi ng mga lokal na konsentrasyon ng singil sa mga interstitial na rehiyon.
Habang nag-aalok ang mga nakaraang pag-aaral ng isang intuitive na teorya na ang mataas na presyon ay pinipiga ang mga electron mula sa mga atomo, natuklasan ng mga bagong kalkulasyon na ang mga electron ay bahagi pa rin ng mga nakapaligid na atomo.
“Napagtanto namin na ang mga ito ay hindi lamang nakahiwalay na mga electron na nagpasyang umalis sa mga atomo. Sa halip, ang mga electron ay ibinabahagi sa pagitan ng mga atomo sa isang kemikal na bono, “sabi ni Racioppi. “Sila ay espesyal.”
“Malinaw na mahirap magsagawa ng mga eksperimento na ginagaya, sabihin, ang mga kondisyon sa loob ng malalim na mga layer ng atmospera ng Jupiter,” sabi ni Zurek, “ngunit maaari tayong gumamit ng mga kalkulasyon, at sa ilang mga kaso, mga high-tech na laser, upang gayahin ang mga ganitong uri ng mga kondisyon. .”
Sanggunian: “On the Electride Nature of Na-hP4” ni Stefano Racioppi, Christian V. Storm, Malcolm I. McMahon at Eva Zurek, 05 Oktubre 2023, Angewandte Chemie International Edition.
DOI: 10.1002/anie.202310802
Kasama sa iba pang mga nag-ambag sina Malcolm McMahon at Christian Storm mula sa University of Edinburgh’s School of Physics and Astronomy at Center for Science at Extreme Conditions.
Ang gawain ay suportado ng Center for Matter at Atomic Pressure, isang sentro ng National Science Foundation na pinamumunuan ng University of Rochester na nag-aaral kung paano maaaring muling ayusin ng presyon sa loob ng mga bituin at planeta ang atomic na istraktura ng mga materyales.
