Het periodiek systeem is een essentieel basisinstrument voor materiaalonderzoek geweest sinds het 150 jaar geleden voor het eerst werd gemaakt. Nutsvoorzieningen, Martin Rahm van Chalmers University of Technology presenteert een nieuw artikel dat een geheel nieuwe dimensie aan de tabel toevoegt, het aanbieden van een nieuwe reeks principes voor materiaalonderzoek. Het artikel is gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Het onderzoek brengt in kaart hoe zowel de elektronegativiteit als de elektronenconfiguratie van elementen onder druk veranderen. Deze bevindingen bieden materiaalonderzoekers een geheel nieuwe set hulpmiddelen. voornamelijk, het betekent dat het nu mogelijk is om snelle voorspellingen te doen over hoe bepaalde elementen zich zullen gedragen bij verschillende drukken, zonder dat er experimentele tests of rekenkundig dure kwantummechanische berekeningen nodig zijn.

"Momenteel, zoeken naar die interessante verbindingen die onder hoge druk verschijnen, vereist een grote investering van tijd en middelen, zowel rekenkundig als experimenteel. Als gevolg hiervan, slechts een kleine fractie van alle mogelijke verbindingen is onderzocht. Het werk dat we presenteren kan als leidraad dienen om uit te leggen waar u op moet letten en welke verbindingen u kunt verwachten wanneer materialen onder hoge druk worden geplaatst, " zegt Martin Rahm, Universitair docent scheikunde bij Chalmers, die de studie leidde.

Bij hoge drukken kunnen de eigenschappen van atomen radicaal veranderen. De nieuwe studie laat zien hoe de elektronenconfiguratie en elektronegativiteit van atomen veranderen naarmate de druk toeneemt. Elektronenconfiguratie is fundamenteel voor de structuur van het periodiek systeem. Het bepaalt tot welke groep in het systeem verschillende elementen behoren. Elektronegativiteit is ook een centraal concept in de chemie en kan worden gezien als een derde dimensie van het periodiek systeem. Het geeft aan hoe sterk verschillende atomen elektronen aantrekken. Samen, elektronenconfiguratie en elektronegativiteit zijn belangrijk om te begrijpen hoe atomen met elkaar reageren om verschillende stoffen te vormen. Bij hoge druk, atomen die normaal niet combineren, kunnen nieuwe, nooit eerder geziene verbindingen met unieke eigenschappen. Dergelijke materialen kunnen onderzoekers inspireren om andere methoden uit te proberen om ze onder meer normale omstandigheden te maken, en ons nieuw inzicht geven in hoe onze wereld werkt.

"Bij hoge druk uiterst fascinerende chemische structuren met ongewone eigenschappen kunnen ontstaan, en reacties die onder normale omstandigheden onmogelijk zijn, kunnen optreden. Veel van wat wij als chemici weten over de eigenschappen van elementen onder omgevingsomstandigheden, klopt gewoon niet meer. Je kunt in principe een groot deel van je scheikundeopleiding meenemen en het raam uitgooien! In de dimensie van druk is er een ongelooflijk aantal nieuwe combinaties van atomen om te onderzoeken", zegt Martin Rahm.

Een bekend voorbeeld van wat er onder hoge druk kan gebeuren, is hoe diamanten kunnen worden gevormd uit grafiet. Een ander voorbeeld is de polymerisatie van stikstofgas, waar stikstofatomen samen worden gedwongen om te binden in een driedimensionaal netwerk. Deze twee hogedrukmaterialen zijn erg verschillend van elkaar. Terwijl koolstof zijn diamantstructuur behoudt, gepolymeriseerde stikstof is onstabiel en keert terug naar gasvorm wanneer de druk wordt opgeheven. Als de polymeerstructuur van stikstof bij normale druk zou kunnen worden gehandhaafd, het zou zonder twijfel de meest energierijke chemische verbinding op aarde zijn.

Momenteel, verschillende onderzoeksgroepen gebruiken hoge drukken om supergeleiders te creëren - materialen die elektriciteit kunnen geleiden zonder weerstand. Sommige van deze hogedruk-supergeleiders werken dicht bij kamertemperatuur. Als een dergelijk materiaal onder normale druk zou kunnen werken, het zou revolutionair zijn, inschakelen, bijvoorbeeld, verliesvrije krachtoverdracht en goedkopere magnetische levitatie.

"Eerst en vooral onze studie biedt opwindende mogelijkheden om nieuwe experimenten voor te stellen die ons begrip van de elementen kunnen verbeteren. Zelfs als veel materialen die het resultaat zijn van dergelijke experimenten onstabiel blijken te zijn bij normale druk, ze kunnen ons inzicht geven in welke eigenschappen en fenomenen mogelijk zijn. De volgende stappen zullen zijn om andere manieren te vinden om dezelfde resultaten te bereiken, ’ zegt Martin Rahm.

Onderzoek onder hoge druk

Het onderzoek heeft theoretisch voorspeld hoe de aard van 93 van de 118 elementen van het periodiek systeem verandert als de druk toeneemt van 0 pascal tot 300 gigapascal (GPa). 1 GPa is ongeveer 10, 000 keer de druk van het aardoppervlak. 360 GPa komt overeen met de extreem hoge druk in de buurt van de kern van de aarde. Technologie om deze druk te recreëren bestaat in verschillende laboratoria, bijvoorbeeld, met behulp van diamanten aambeeldcellen of schokexperimenten.

"De druk die we gewend zijn op het aardoppervlak is eigenlijk vrij ongewoon, vanuit een groter perspectief gezien. Naast het faciliteren van materiaalsynthese onder hoge druk op aarde, ons werk kan ook leiden tot een beter begrip van processen die plaatsvinden op andere planeten en manen. Bijvoorbeeld, in de grootste zee van het zonnestelsel, vele mijlen onder het oppervlak van Jupiters maan Ganymedes. Of binnen de reuzenplaneten, waar de druk enorm is, ’ zegt Martin Rahm.

Het werk is gedaan met behulp van een wiskundig model, waarin elk atoom in het midden van een bolvormige holte werd geplaatst. Het effect van verhoogde druk werd gesimuleerd door geleidelijke vermindering van het volume van de bol. De fysieke eigenschappen van de atomen in verschillende stadia van compressie zouden dan kunnen worden berekend met behulp van kwantummechanica.

Bij hoge druk, atomen en moleculen komen dichter bij elkaar, en verschillende atomaire en elektronische structuren aannemen. Een gevolg hiervan is dat materialen die meestal halfgeleiders of isolatoren zijn, kunnen transformeren in metalen.

Slechts enkele materialen die zich onder hoge druk vormen, behouden hun structuur en eigenschappen wanneer ze worden teruggebracht naar omgevingsdruk.