Viaggiando abbastanza in profondità sotto la superficie terrestre o all'interno del centro del sole, la materia cambia a livello atomico.
La crescente pressione all’interno delle stelle e dei pianeti può far sì che i metalli diventino isolanti non conduttori. È stato dimostrato che il sodio si trasforma da un metallo lucido di colore grigio in un isolante trasparente simile al vetro quando viene schiacciato con sufficiente forza.
Ora, uno studio condotto dall'Università di Buffalo ha rivelato il legame chimico dietro questo particolare fenomeno dell'alta pressione.
Sebbene sia stato teorizzato che l'alta pressione essenzialmente spreme gli elettroni del sodio negli spazi tra gli atomi, i calcoli di chimica quantistica dei ricercatori mostrano che questi elettroni appartengono ancora in gran parte agli atomi circostanti e sono chimicamente legati tra loro.
"Stiamo rispondendo a una domanda molto semplice sul perché il sodio diventa un isolante, ma prevedere come si comportano altri elementi e composti chimici a pressioni molto elevate potrebbe potenzialmente fornire informazioni su questioni più ampie", afferma Eva Zurek, Ph.D., professoressa di chimica presso l'UB College of Arts and Sciences e coautore dello studio, pubblicato su Angewandte Chemie , una rivista della Società Chimica Tedesca. "Com'è l'interno di una stella? Come vengono generati i campi magnetici dei pianeti, se davvero ne esistono? E come si evolvono le stelle e i pianeti? Questo tipo di ricerca ci avvicina alla risposta a queste domande."
Lo studio conferma e si basa sulle previsioni teoriche del compianto fisico Neil Ashcroft, alla cui memoria è dedicato lo studio.
Un tempo si pensava che i materiali diventassero sempre metallici sotto alta pressione - come l'idrogeno metallico che si teorizza costituisca il nucleo di Giove - ma l'articolo fondamentale di Ashcroft e Jeffrey Neaton vent'anni fa ha scoperto che alcuni materiali, come il sodio, possono effettivamente diventare isolanti o semiconduttori quando spremuti. Hanno teorizzato che gli elettroni del nucleo del sodio, ritenuti inerti, interagirebbero tra loro e con gli elettroni di valenza esterni quando sottoposti a pressione estrema.
"Il nostro lavoro ora va oltre il quadro della fisica dipinto da Ashcroft e Neaton, collegandolo ai concetti chimici di legame", afferma l'autore principale dello studio condotto dall'UB, Stefano Racioppi, Ph.D., ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Chimica dell'UB .
Le pressioni trovate sotto la crosta terrestre possono essere difficili da replicare in laboratorio, quindi, utilizzando i supercomputer del Center for Computational Research della UB, il team ha eseguito calcoli su come si comportano gli elettroni negli atomi di sodio quando sono sottoposti ad alta pressione.
Gli elettroni rimangono intrappolati nelle regioni interspaziali tra gli atomi, noto come stato di elettruro. Ciò provoca la trasformazione fisica del sodio da metallo lucido a isolante trasparente, poiché gli elettroni a flusso libero assorbono e ritrasmettono la luce, ma gli elettroni intrappolati consentono semplicemente il passaggio della luce.
Tuttavia, i calcoli dei ricercatori hanno mostrato per la prima volta che la comparsa dello stato elettrificato può essere spiegata attraverso il legame chimico.
L'alta pressione fa sì che gli elettroni occupino nuovi orbitali all'interno dei rispettivi atomi. Questi orbitali si sovrappongono quindi tra loro per formare legami chimici, causando concentrazioni di carica localizzate nelle regioni interstiziali.
Mentre studi precedenti offrivano una teoria intuitiva secondo cui l'alta pressione spingeva gli elettroni fuori dagli atomi, i nuovi calcoli hanno scoperto che gli elettroni fanno ancora parte degli atomi circostanti.
"Ci siamo resi conto che questi non sono solo elettroni isolati che hanno deciso di lasciare gli atomi. Invece, gli elettroni sono condivisi tra gli atomi in un legame chimico", dice Racioppi. "Sono davvero speciali."
Tra gli altri contributori figurano Malcolm McMahon e Christian Storm della Scuola di fisica e astronomia e del Centro per la scienza in condizioni estreme dell'Università di Edimburgo.
Il lavoro è stato sostenuto dal Center for Matter at Atomic Pressure, un centro della National Science Foundation guidato dall'Università di Rochester che studia come la pressione all'interno di stelle e pianeti possa riorganizzare la struttura atomica dei materiali.
"Ovviamente è difficile condurre esperimenti che replichino, ad esempio, le condizioni all'interno degli strati atmosferici profondi di Giove", dice Zurek, "ma possiamo usare calcoli e, in alcuni casi, laser ad alta tecnologia, per simulare questo tipo di condizioni". ."
Ulteriori informazioni: Stefano Racioppi et al, Sulla natura dell'elettruro di Na‐hP4, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202310802
Informazioni sul giornale: Angewandte Chemie , Edizione Internazionale Angewandte Chemie
Fornito dall'Università di Buffalo
