|
Натрий расскажет нам о недрах звезд и планет
|
|
|
|
Путешествуйте достаточно глубоко под поверхностью Земли или внутри центра Солнца, и материя меняется на атомном уровне. Растущее давление внутри звезд и планет может привести к тому, что металлы станут непроводящими изоляторами. Было показано, что натрий при достаточно сильном сжатии превращается из блестящего металла серого цвета в прозрачный, похожий на стекло изолятор. Теперь исследование, проведенное Университетом Буффало, выявило химическую связь, лежащую в основе этого конкретного явления высокого давления. Хотя предполагалось, что высокое давление по сути выдавливает электроны натрия в пространство между атомами, квантово-химические расчеты исследователей показывают, что эти электроны по-прежнему во многом принадлежат окружающим атомам и химически связаны друг с другом.
|
|
|
|
«Мы отвечаем на очень простой вопрос о том, почему натрий становится изолятором, но предсказание того, как другие элементы и химические соединения ведут себя при очень высоких давлениях, потенциально может дать понимание более широких вопросов», — говорит Ева Зурек, доктор философии, профессор. профессор химии в Колледже искусств и наук Университетского университета и соавтор исследования, которое было опубликовано в Angewandte Chemie, журнале Немецкого химического общества. «Какова внутренняя часть звезды? Как генерируются магнитные поля планет, если они вообще существуют? И как развиваются звезды и планеты? Этот тип исследований приближает нас к ответу на эти вопросы». Исследование подтверждает и развивает теоретические предсказания покойного известного физика Нила Эшкрофта, памяти которого посвящено исследование.
|
|
|
Когда-то считалось, что материалы всегда становятся металлическими под высоким давлением — например, металлический водород, который, согласно теории, составляет ядро Юпитера, — но в основополагающей статье Эшкрофта и Джеффри Нитона два десятилетия назад было обнаружено, что некоторые материалы, такие как натрий, действительно могут становиться изоляторами или полупроводниками при сжатии. Они предположили, что основные электроны натрия, считающиеся инертными, будут взаимодействовать друг с другом и внешними валентными электронами под экстремальным давлением. «Наша работа теперь выходит за рамки физической картины, нарисованной Эшкрофтом и Нитоном, и связывает ее с химическими концепциями связи», - говорит ведущий автор исследования под руководством UB Стефано Рачиоппи, доктор философии, постдокторант химического факультета UB.
|
|
|
|
Давление, обнаруженное под земной корой, сложно воспроизвести в лаборатории, поэтому, используя суперкомпьютеры Центра вычислительных исследований Университетского университета, команда провела расчеты того, как электроны ведут себя в атомах натрия под высоким давлением. Электроны попадают в ловушку в межпространственных областях между атомами, известных как электридное состояние. Это вызывает физическое превращение натрия из блестящего металла в прозрачный изолятор, поскольку свободные электроны поглощают и ретранслируют свет, а захваченные электроны просто пропускают свет. Однако расчеты исследователей впервые показали, что возникновение электридного состояния можно объяснить химической связью. Высокое давление заставляет электроны занимать новые орбитали внутри соответствующих атомов. Эти орбитали затем перекрываются друг с другом, образуя химические связи, вызывая концентрацию локализованных зарядов в межузельных областях.
|
|
|
|
В то время как предыдущие исследования предлагали интуитивную теорию о том, что высокое давление выдавливает электроны из атомов, новые расчеты показали, что электроны все еще являются частью окружающих атомов. «Мы поняли, что это не просто изолированные электроны, которые решили покинуть атомы. Вместо этого электроны распределяются между атомами в химической связи», — говорит Рачиоппи. «Они совершенно особенные». Среди других участников — Малкольм МакМахон и Кристиан Сторм из Школы физики и астрономии Эдинбургского университета и Центра науки в экстремальных условиях. Работа была поддержана Центром изучения материи при атомном давлении, центром Национального научного фонда, возглавляемым Университетом Рочестера, который изучает, как давление внутри звезд и планет может перестроить атомную структуру материалов. «Очевидно, что сложно проводить эксперименты, которые воспроизводят, скажем, условия в глубоких слоях атмосферы Юпитера», — говорит Зурек, — «но мы можем использовать расчеты, а в некоторых случаях и высокотехнологичные лазеры, для моделирования такого рода условий."
|
|
|
|
Источник
|
