وبلاگ

به عمق کافی در زیر سطح زمین یا در مرکز خورشید سفر کنید و ماده در سطح اتمی تغییر می کند.

افزایش فشار در ستارگان و سیارات می تواند باعث شود فلزات به عایق های نارسانا تبدیل شوند. نشان داده شده است که سدیم با فشار کافی از یک فلز براق و خاکستری به یک عایق شفاف و شیشه مانند تبدیل می شود.

اکنون، مطالعه ای که توسط دانشگاه بوفالو انجام شده است، نشان داده است شیمیایی اتصال پشت این پدیده خاص فشار بالا.

اگرچه فشار بالا اساساً الکترون های سدیم را به فضاهای بین اتم ها فشار می دهد، محاسبات شیمیایی کوانتومی محققان نشان می دهد که این الکترون ها هنوز تا حد زیادی به اتم های اطراف تعلق دارند و از نظر شیمیایی به یکدیگر پیوند دارند.

ما به یک سوال بسیار ساده پاسخ می دهیم که چرا سدیم تبدیل به یک عایق می شود، اما پیش بینی می کنیم که چگونه سایر عناصر و ترکیبات شیمیایی اوا زورک، دکترای شیمی، استاد شیمی در کالج هنر و علوم UB و یکی از نویسندگان این مطالعه، می‌گوید: «رفتار در فشار بسیار بالا به طور بالقوه بینشی در مورد مسائل تصویر بزرگ‌تر ارائه می‌کند.» Angewandte Chemieمجله انجمن شیمی آلمان. “داخل یک ستاره چگونه است؟ میدان های مغناطیسی سیارات، اگر اصلا وجود دارند، چگونه ایجاد می شوند؟ و ستارگان و سیارات چگونه تکامل می یابند؟ این نوع تحقیقات ما را به پاسخ به این سوالات نزدیک تر می کند.”

این مطالعه پیش‌بینی‌های نظری فیزیکدان مشهور فقید نیل اشکرافت را تأیید می‌کند و مبتنی بر آن است که این مطالعه به یاد او اختصاص داده شده است.

زمانی تصور می شد که مواد همیشه تحت فشار بالا فلزی می شوند – مانند هیدروژن فلزی نظریه ای برای تشکیل هسته مشتری وجود دارد، اما یک مقاله مهم توسط اشکرافت و جفری نیتون دو دهه پیش نشان داد که برخی از مواد، مانند سدیم، در هنگام فشرده شدن می توانند به عایق یا نیمه هادی تبدیل شوند. آن ها این نظریه را مطرح کردند که الکترون های هسته سدیم که تصور می شود بی اثر هستند، با یکدیگر و با الکترون های ظرفیت بیرونی برهمکنش خواهند داشت وقتی فشار شدید.

دکتر استفانو راسیوپی، محقق فوق دکتری در دپارتمان شیمی UB، نویسنده ارشد مطالعه تحت رهبری UB، گفت: کار ما اکنون فراتر از تصویر فیزیکی ترسیم شده توسط اشکرافت و ناتان است و آن را به مفاهیم شیمیایی پیوند متصل می کند.

بازتولید فشارهای موجود در زیر پوسته زمین در آزمایشگاه دشوار است، بنابراین با استفاده از ابررایانه‌های مرکز تحقیقات محاسباتی UB، تیم محاسباتی را در مورد نحوه رفتار الکترون‌های اتم‌های سدیم در هنگام قرار گرفتن در فشار بالا انجام دادند.

الکترون ها در نواحی بینابینی بین اتم ها به دام افتاده اند که به عنوان حالت الکتریکی شناخته می شود. این باعث می شود سدیمیک تبدیل فیزیکی از یک فلز براق به یک عایق شفاف، زیرا الکترون‌های با جریان آزاد نور را جذب و عبور می‌دهند، اما الکترون‌های به دام افتاده به سادگی اجازه عبور نور را می‌دهند.

با این حال، محاسبات محققان برای اولین بار نشان داد که ظاهر یک حالت الکتریکی را می توان با پیوند شیمیایی.

فشار بالا باعث می شود که الکترون ها اوربیتال های جدیدی را در اتم های مربوطه خود اشغال کنند. سپس این اوربیتال ها با یکدیگر همپوشانی پیدا می کنند تا تشکیل شوند پیوندهای شیمیاییباعث ایجاد غلظت بار موضعی در نواحی بینابینی می شود.

در حالی که مطالعات قبلی یک نظریه شهودی ارائه کردند که فشار بالا الکترون‌هایی که از اتم‌ها فشرده شدند، محاسبات جدید نشان داد که الکترون‌ها هنوز بخشی از اتم‌های اطراف هستند.

Racioppi می گوید: “ما متوجه شدیم که اینها فقط الکترون های جدا شده ای نیستند که تصمیم گرفته اند اتم ها را ترک کنند. در عوض، الکترون ها بین اتم ها در یک پیوند شیمیایی مشترک هستند.” “آنها بسیار خاص هستند.”

سایر همکاران شامل مالکوم مک ماهون و کریستین استورم از دانشکده فیزیک و نجوم دانشگاه ادینبورگ و مرکز علوم شدید هستند.

این کار توسط «مرکز ماده در فشار اتمی»، یک مرکز بنیاد ملی علوم به رهبری دانشگاه روچستر که به مطالعه چگونگی فشار درون ستارگان و سیارات می تواند ساختار اتمی مواد را بازآرایی کند.

زورک می‌گوید: «بدیهی است که انجام آزمایش‌هایی که مثلاً شرایط موجود در اتمسفر عمیق مشتری را تکرار می‌کنند، دشوار است، اما ما می‌توانیم از محاسبات و در برخی موارد از لیزرهای با فناوری پیشرفته برای شبیه‌سازی این نوع شرایط استفاده کنیم.»