Putujte dovoljno duboko ispod površine Zemlje ili unutar centra Sunca, a materija se menja na atomskom nivou.
Pritisak koji raste unutar zvezda i planeta može prouzrokovati da metali postanu neprovodni izolatori. Pokazalo se da se natrijum pretvara iz sjajnog metala sive boje u providni izolator nalik staklu kada se dovoljno snažno stisne.
Sada je studija koju je vodio Univerzitet u Buffalu otkrila hemijsko vezivanje iza ovog posebnog fenomena visokog pritiska.
Iako se teoretiziralo da visoki pritisak suštinski istiskuje natrijumove elektrone u prostore između atoma, kvantno-hemijski proračuni istraživača pokazuju da ovi elektroni još uvek u velikoj meri pripadaju okolnim atomima i da su hemijski povezani jedni sa drugima.
„Odgovaramo na vrlo jednostavno pitanje zašto natrijum postaje izolator, ali predviđanje kako se drugi elementi i hemijska jedinjenja ponašaju pri veoma visokim pritiscima potencijalno će dati uvid u pitanja veće slike“, kaže dr Eva Zurek, prof. hemije na UB College of Arts and Sciences i koautor studije, koja je objavljena u Angevandte Chemie, časopisu Nemačkog hemijskog društva. „Kakva je unutrašnjost zvezde? Kako se stvaraju magnetna polja planeta, ako ih zaista postoje? I kako zvezde i planete evoluiraju? Ova vrsta istraživanja približava nas odgovoru na ova pitanja.“
Studija potvrđuje i nadovezuje se na teorijska predviđanja pokojnog renomiranog fizičara Nila Eškrofta, čijem je sećanju studija posvećena.
Nekada se smatralo da materijali uvek postaju metalni pod visokim pritiskom – poput metalnog vodonika za koji se teoretizira da čini Jupiterovo jezgro – ali Eškroft i Jeffrei Neaton su u semenskom radu pre dve decenije otkrili da neki materijali, poput natrijuma, mogu zapravo postati izolatori ili poluprovodnici kada se stisnu. Teoretizirali su da će elektroni natrijumovog jezgra, za koje se smatra da su inertni, u interakciji jedni sa drugima i sa spoljnim valentnim elektronima kada su pod ekstremnim pritiskom.
„Naš rad sada prevazilazi sliku fizike koju su oslikali Ashcroft i Neaton, povezujući je sa hemijskim konceptima vezivanja“, kaže glavni autor studije pod vodstvom UB, dr Stefano Racioppi, postdoktorski istraživač na Odsjeku za hemiju UB. .
Pritiske koji se nalaze ispod Zemljine kore može biti teško ponoviti u laboratoriji, pa je pomoću superkompjutera u UB-ovom Centru za računarska istraživanja, tim izvršio proračune o tome kako se elektroni ponašaju u atomima natrijuma kada su pod visokim pritiskom.
Elektroni postaju zarobljeni unutar međuprostornih regiona između atoma, poznatih kao stanje elektrida. Ovo uzrokuje fizičku transformaciju natrijuma iz sjajnog metala u providni izolator, pošto elektroni koji slobodno teče apsorbuju i retransmituju svetlost, ali zarobljeni elektroni jednostavno dozvoljavaju svetlosti da prođe.
Međutim, proračuni istraživača su po prvi put pokazali da se nastanak stanja elektrida može objasniti hemijskim povezivanjem.
Visok pritisak uzrokuje da elektroni zauzmu nove orbitale unutar svojih atoma. Ove orbitale se zatim preklapaju jedna sa drugom da bi formirale hemijske veze, uzrokujući lokalizovane koncentracije naelektrisanja u intersticijalnim regionima.
Dok su prethodne studije nudile intuitivnu teoriju da je visok pritisak istisnuo elektrone iz atoma, novi proračuni su otkrili da su elektroni i dalje deo okolnih atoma.
„Shvatili smo da ovo nisu samo izolovani elektroni koji su odlučili da napuste atome. Umesto toga, elektroni se dele između atoma u hemijskoj vezi“, kaže Racioppi. „Oni su prilično posebni.“
Ostali saradnici su Malkolm MekMahon i Kristijan Storm sa Fakulteta za fiziku i astronomiju Univerziteta u Edinburgu i Centar za nauku u ekstremnim uslovima.
Rad je podržao Centar za materiju pod atomskim pritiskom, centar Nacionalne naučne fondacije na čelu sa Univerzitetom u Ročesteru koji proučava kako pritisak unutar zvezda i planeta može preurediti atomsku strukturu materijala.
„Očigledno je teško izvoditi eksperimente koji repliciraju, recimo, uslove unutar dubokih atmosferskih slojeva Jupitera“, kaže Zurek, „ali možemo koristiti proračune, a u nekim slučajevima i visokotehnološke lasere, da simuliramo ovakve uslove.“
