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