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

В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом

С помощью большой языковой модели инженеры Мас...

Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах

Исследовательская группа, работающая в UN...

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути
PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути

Исследователи из Принстона применили спле...

Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ
Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ

Ученые из Томского политехнического униве...

Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света
Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света

В основе глобальной интернет-связи лежит оптич...

Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения
Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения

Мемристорные устройства представляют собой кат...

Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников
Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников

Замещающее легирование чужеродными элементами ...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Исследователи изучают влияние сольватации и валентности ионов на металлополимеры
Исследователи изучают влияние сольватации и валентности ионов на металлополимеры
Инженеры воссоздали голопалубу Star Trek с помощью ChatGPT и видеоигр
Инженеры воссоздали голопалубу Star Trek с помощью ChatGPT и видеоигр
«Литнет» выяснил, что привлекает читателей в книгах о космосе
«Литнет» выяснил, что привлекает читателей в книгах о космосе
Инженеры создают более выгодную сеть для распределения солнечной энергии
Инженеры создают более выгодную сеть для распределения солнечной энергии
New England Journal of Medicine: Упреждающая ангиопластика не улучшает прогноз
New England Journal of Medicine: Упреждающая ангиопластика не улучшает прогноз
IC: Исследователи тестируют биологическую безвредность нейроморфной сети
IC: Исследователи тестируют биологическую безвредность нейроморфной сети
JSPR: Между кортизолом и социальной поддержкой в семейных парах нашли связь
JSPR: Между кортизолом и социальной поддержкой в семейных парах нашли связь
Molecular Psychiatry: Выяснилось, как изменение экспрессии генов вызывает аутизм
Molecular Psychiatry: Выяснилось, как изменение экспрессии генов вызывает аутизм
GBE: ДНК древних пингвинов Адели выявило повторы возрастом сотни миллионов лет
GBE: ДНК древних пингвинов Адели выявило повторы возрастом сотни миллионов лет
Шёнингенские копья доказали: 300 000 лет назад древесина была важнейшим сырьем
Шёнингенские копья доказали: 300 000 лет назад древесина была важнейшим сырьем
NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины
NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины
Acta Biomaterialia: Созданы трансплантаты, похожие на реальное человеческое ухо
Acta Biomaterialia: Созданы трансплантаты, похожие на реальное человеческое ухо
В двумерных сверхпроводниках открыта незаметная квантовая критическая точка
В двумерных сверхпроводниках открыта незаметная квантовая критическая точка
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
NREE: Виноградари всего мира бьют тревогу из-за изменения климата
NREE: Виноградари всего мира бьют тревогу из-за изменения климата

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса