Een studie van de Chalmers University of Technology, Zweden, nieuwe antwoorden heeft opgeleverd op fundamentele vragen over de relatie tussen de grootte van een atoom en zijn andere eigenschappen, zoals elektronegativiteit en energie. De resultaten maken de weg vrij voor vooruitgang in toekomstige materiaalontwikkeling. Voor de eerste keer, het is onder bepaalde voorwaarden mogelijk om voor dergelijke relaties exacte vergelijkingen te bedenken.

"Kennis van de grootte van atomen en hun eigenschappen is essentieel voor het verklaren van chemische reactiviteit, structuur en de eigenschappen van allerlei soorten moleculen en materialen. Dit is fundamenteel onderzoek dat nodig is om belangrijke vooruitgang te boeken, " legt Martin Rahm uit, de hoofdauteur van de studie en onderzoeksleider van de afdeling Scheikunde en Chemische Technologie aan de Chalmers University of Technology.

De onderzoekers achter het onderzoek, bestaande uit collega's van de Universiteit van Parma, Italië, evenals de afdeling natuurkunde aan de Chalmers University of Technology, hebben eerder met kwantummechanische berekeningen gewerkt om te laten zien hoe de eigenschappen van atomen veranderen onder hoge druk. Deze resultaten werden gepresenteerd in wetenschappelijke artikelen in de Tijdschrift van de American Chemical Society en ChemPhysChem .

De nieuwe studie, gepubliceerd in het tijdschrift Chemische Wetenschappen , vormt de volgende stap in hun belangrijke werk, het onderzoeken van de relatie tussen de straal van een atoom en zijn elektronegativiteit - een essentieel stuk chemische kennis waarnaar sinds de jaren vijftig is gezocht.

Handige nieuwe vergelijkingen maken

Door te bestuderen hoe compressie individuele atomen beïnvloedt, de onderzoekers hebben een reeks vergelijkingen kunnen afleiden die verklaren hoe veranderingen in één eigenschap - de grootte van een atoom - kunnen worden vertaald en begrepen als veranderingen in andere eigenschappen - de totale energie en de elektronegativiteit van een atoom. De afleiding is gemaakt voor speciale drukken, waarbij de atomen een van de twee goed gedefinieerde energieën kunnen opnemen, twee stralen en twee elektronegativiteiten.

"Deze vergelijking kan bijvoorbeeld, helpen verklaren hoe een toename van de oxidatietoestand van een atoom ook de elektronegativiteit verhoogt en vice versa, in het geval van een afname van de oxidatietoestand, ’ zegt Martin Rahm.

Een belangrijke vraag voor de wetenschap van onontgonnen materialen

Het onderzoek heeft onder meer tot doel nieuwe kansen en mogelijkheden voor de productie van materialen onder hoge druk te helpen identificeren. In het centrum van de aarde, de druk kan honderden gigapascals bereiken - en dergelijke omstandigheden zijn tegenwoordig haalbaar in laboratoriumomgevingen. Voorbeelden van gebieden waar tegenwoordig druk wordt gebruikt, zijn de synthese van supergeleiders, materialen die elektrische stroom kunnen geleiden zonder weerstand. Maar de onderzoekers zien nog veel meer mogelijkheden in het verschiet.

"Druk is een grotendeels onontgonnen dimensie binnen de materiaalkunde, en de belangstelling voor nieuwe fenomenen en materiaaleigenschappen die met compressie kunnen worden gerealiseerd groeit, ’ zegt Martin Rahm.

De database maken die ze zelf wilden

De grote hoeveelheden gegevens die de onderzoekers door hun werk hebben berekend, zijn nu samengevat in een database, en beschikbaar gesteld als gebruiksvriendelijke webapplicatie. Deze ontwikkeling werd gesponsord door Chalmers Area of ​​Advance Materials en mogelijk gemaakt door een samenwerking met de onderzoeksgroep van Paul Erhart van de afdeling Natuurkunde van Chalmers.

In de webapplicatie, gebruikers kunnen nu gemakkelijk ontdekken hoe het periodiek systeem eruitziet bij verschillende drukken. In de laatste wetenschappelijke publicatie de onderzoekers geven een voorbeeld van hoe deze tool kan worden gebruikt om nieuwe inzichten in de chemie te geven. De eigenschappen van ijzer en silicium - twee gemeenschappelijke elementen in de aardkorst, mantel en kern - worden vergeleken, grote verschillen aan het licht brengen bij verschillende drukken.

"De database is iets dat ik al vele jaren mis. We hopen dat het een nuttig hulpmiddel zal blijken te zijn, en worden gebruikt door veel verschillende scheikundigen en materiaalonderzoekers die met hoge druk studeren en werken. We hebben het al gebruikt om theoretische zoektochten naar nieuwe overgangsmetaalfluoriden te begeleiden, ’ zegt Martin Rahm.