Angewandte Chemie: Ученые объяснили, почему металлы превращаются в стекло

Если проникнуть глубоко-глубоко под поверхность Земли или в центр Солнца, то материя, из которой состоит погруженное тело, изменится на атомном уровне. Нарастающее давление внутри звезд и планет может даже привести к превращению металлов в непроводящие изоляторы.

Выяснилось, что натрий при мощном сжатии деформируется и из блестящего металла серого цвета преобразуется в прозрачный стеклоподобный, хоть в окно вставляй, изолятор.

Новое исследование, проведенное под руководством Университета Буффало, описывает химические процессы, благодаря которым мы и может наблюдать этот феномен под высоким давлением.

Есть гипотеза, что высокое давление выдавливает электроны натрия в пространство между атомами, однак квантово-химические расчеты исследователей показывают, что эти электроны по-прежнему принадлежат окружающим атомам и химически связаны друг с другом.

Мы отвечаем на очень простой вопрос, почему натрий становится изолятором, но предсказание поведения других элементов и химических соединений при очень высоких давлениях потенциально может дать понимание более масштабных вопросов, — говорит Ева Зурек, доктор наук, профессор химии в Колледже искусств и наук UB и соавтор исследования, опубликованного в Angewandte Chemie, журнале Немецкого химического общества.

Что представляет собой внутренняя часть звезды? Как генерируются магнитные поля планет, если таковые вообще существуют? И как эволюционируют звезды и планеты? Подобные исследования приближают нас к ответам на эти вопросы.

Исследование подтверждает и развивает теоретические предсказания покойного знаменитого физика Нила Эшкрофта, памяти которого посвящено исследование.

Когда-то считалось, что материалы под высоким давлением обязательно обретают металлические свойства, — например, металлический водород, из которого, по теории, состоит ядро Юпитера, — но в основополагающей работе Эшкрофта и Джеффри Нитона, опубликованной два десятилетия назад, ученые показали, что некоторые материалы, например натрий, могут становиться изоляторами или полупроводниками при сжатии. Они предположили, что электроны ядра натрия, которые считаются инертными, взаимодействуют друг с другом и с внешними валентными электронами при экстремальном давлении.

Наша работа выходит за рамки физической картины, нарисованной Эшкрофтом и Нитоном, связывая ее с химическими концепциями связей, — говорит ведущий автор исследования Стефано Рациоппи, доктор философии, постдокторант химического факультета UB.

Давление, существующее под земной корой, трудно воспроизвести в лаборатории, поэтому, используя суперкомпьютеры Центра вычислительных исследований UB, команда провела расчеты того, как электроны ведут себя в атомах натрия под высоким давлением.

Электроны оказываются в ловушке в межпространственных областях между атомами, известной как состояние электропривода. Это приводит к физическому превращению натрия из блестящего металла в прозрачный изолятор, поскольку свободные электроны поглощают и передают свет, а захваченные электроны просто пропускают свет.

Однако расчеты исследователей впервые показали, что возникновение электридного состояния можно объяснить химической связью.

Под действием высокого давления электроны занимают новые орбитали в соответствующих атомах. Затем эти орбитали перекрываются друг с другом, образуя химические связи, что приводит к локализованной концентрации заряда в междоузельных областях.

В то время как предыдущие исследования предлагали интуитивную теорию о том, что высокое давление выдавливает электроны из атомов, новые расчеты показали, что электроны по-прежнему являются частью окружающих атомов.

Мы поняли, что это не просто изолированные электроны, которые решили покинуть атомы. Вместо этого электроны делятся между атомами в рамках химической связи, — говорит Рациоппи.

Они совершенно особенные.

В работе также участвовали Малкольм Макмахон и Кристиан Сторм из Школы физики и астрономии Эдинбургского университета и Центра науки в экстремальных условиях.

Работу поддержал Центр по изучению материи при атомном давлении — структурное подразделение Национального научного фонда, под руководством Университета Рочестера, который изучает, как давление внутри звезд и планет может изменить атомную структуру материалов.

Очевидно, что трудно провести эксперименты, повторяющие, скажем, условия в глубоких слоях атмосферы Юпитера, — заключает Зурек, — но мы можем использовать расчеты и, в некоторых случаях, высокотехнологичные лазеры, чтобы смоделировать такие условия.

30.12.2023


Подписаться в Telegram



Хайтек

Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность
Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность

3D-печать меняет правила игры: она дает б...

Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом
Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом

Физики научились управлять светом в кроше...

Тараканы-киборги — спасатели ближайшего будущего
Тараканы-киборги — спасатели ближайшего будущего

От зон стихийных бедствий до экстрем...

Томские ученые раскрыли секреты молекулярных взаимодействий
Томские ученые раскрыли секреты молекулярных взаимодействий

Ученые из Томского политехнического униве...

100 миллионов за молекулярный прорыв: в Уфе запустили супер-спектрометр
100 миллионов за молекулярный прорыв: в Уфе запустили супер-спектрометр

В Уфимском федеральном исследовательском центр...

От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP
От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP

В НИЯУ МИФИ создали онлайн-сервис —...

CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее
CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее

Передовая роботизированная система CARMA II ус...

Нейросети будущего: поляритоны в СПбГУ бьют рекорды точности
Нейросети будущего: поляритоны в СПбГУ бьют рекорды точности

Ученые из Санкт-Петербургского государств...

MIT учит дронов избегать столкновений: новый метод GCBF+
MIT учит дронов избегать столкновений: новый метод GCBF+

Инженеры из MIT придумали, как сдела...

Фокус на будущее: киноформные линзы меняют правила игры
Фокус на будущее: киноформные линзы меняют правила игры

Сотрудники лаборатории 3D-печати функциональны...

Российский минерал совершил революцию в мире двумерных материалов
Российский минерал совершил революцию в мире двумерных материалов

Ученые Томского политехнического университета ...

Свет из земли: как глина превратилась в дисплей
Свет из земли: как глина превратилась в дисплей

Мир дисплеев скоро изменится благодаря новым м...

В МИФИ создан радиоизотопный прибор для отечественной металлургии
В МИФИ создан радиоизотопный прибор для отечественной металлургии

В Национальном исследовательском ядерном униве...

Преодоление физических барьеров: на пути к новым квантовым технологиям
Преодоление физических барьеров: на пути к новым квантовым технологиям

Комментирует профессор Майя Вергниори, которая...

Впервые в России: в Катайске начали выпуск уникальных насосов
Впервые в России: в Катайске начали выпуск уникальных насосов

Катайский насосный завод, который находится в&...

Ученые ТПУ продемонстрировали, как у капель появляются «пальцы»
Ученые ТПУ продемонстрировали, как у капель появляются «пальцы»

Исследователи из Томского политехническог...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Cell Reports: Голодание приносит пользу взрослым, но создает риск для подростков
Cell Reports: Голодание приносит пользу взрослым, но создает риск для подростков
Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность
Легкие и прочные: как Al-Sc сплавы покоряют промышленность
69 ученых, которые меняют мир: история успеха из Нижнего Новгорода
69 ученых, которые меняют мир: история успеха из Нижнего Новгорода
Невидимые враги: как ароматизаторы превращают ваш дом в угрозу для здоровья
Невидимые враги: как ароматизаторы превращают ваш дом в угрозу для здоровья
Как взрываются звезды: открытия, которые меняют наше представление о Вселенной
Как взрываются звезды: открытия, которые меняют наше представление о Вселенной
Как получить инструмент будущих инженеров бесплатно, если ты студент
Как получить инструмент будущих инженеров бесплатно, если ты студент
Спасти жизнь за минуты сможет кетамин в борьбе с эпилептическим статусом
Спасти жизнь за минуты сможет кетамин в борьбе с эпилептическим статусом
От шахт до чистой энергии: путь австралийской горнодобывающей промышленности
От шахт до чистой энергии: путь австралийской горнодобывающей промышленности
Без капитана, но с комфортом: в Нижнем Новгороде строят судно без экипажа
Без капитана, но с комфортом: в Нижнем Новгороде строят судно без экипажа
Цикорий и кобальт: дуэт против рака, бьющий точно в цель
Цикорий и кобальт: дуэт против рака, бьющий точно в цель
Больничные раковины и невидимый враг, который в них живет
Больничные раковины и невидимый враг, который в них живет
Лазер, графен, полимер: как создают электронику, которую можно сгибать
Лазер, графен, полимер: как создают электронику, которую можно сгибать
Ученые объединили два прибора в один, чтобы лучше анализировать газы
Ученые объединили два прибора в один, чтобы лучше анализировать газы
Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом
Световые качели: физики открыли новый способ управлять светом
Удаленка навсегда: как бизнес адаптируется к новым реалиям
Удаленка навсегда: как бизнес адаптируется к новым реалиям

Новости компаний, релизы

Более 200 нижегородцев посетили научные кинопоказы честь Дня российской науки
Школьников и студентов Хабаровского края приглашают написать всероссийский диктант «Наука во имя Победы»
На Фестивале «Москва — Точка старта» победили проекты из МИФИ
В Калуге обсудили меры поддержки молодых учёных региона
Международные эксперты оценили разработанную для нижегородского завода технологию