Нарастающее давление внутри звезд и планет может привести к превращению металлов в непроводящие изоляторы. Ученые выяснили, что натрий при сильном сжатии превращается из блестящего металла серого цвета в прозрачный, похожий на стекло, изолятор. Исследование, результаты которого опубликованы в Angewandte Chemie, было проведено под руководством Университета Буффало и раскрыло химическую связь, лежащую в основе этого феномена высокого давления, сообщает научное издание EurekAlert!.
Существует теория, что высокое давление выдавливает электроны натрия в пространство между атомами, но квантово-химические расчеты исследователей показывают, что электроны по-прежнему принадлежат окружающим атомам и химически связаны друг с другом.
Что представляет собой внутренняя часть звезды? Как генерируются магнитные поля планет, если таковые вообще существуют? И как эволюционируют звезды и планеты? Подобные работы приближают нас к ответам на эти вопросы. Исследование подтверждает и развивает теоретические предсказания знаменитого физика Нила Эшкрофта, памяти которого посвящено исследование.
Когда-то считалось, что материалы всегда становятся металлическими под высоким давлением – например, металлический водород, из которого, по теории, состоит ядро Юпитера, – но в основополагающей работе Эшкрофта и Джеффри Нитона, опубликованной два десятилетия назад, было обнаружено, что некоторые материалы, например натрий, могут становиться изоляторами или полупроводниками при сжатии. Ученые предположили, что электроны ядра натрия, которые считаются инертными, взаимодействуют друг с другом и с внешними валентными электронами при экстремальном давлении.
Данная работа выходит за рамки физической картины, нарисованной Эшкрофтом и Нитоном, связывая ее с химическими концепциями связей. 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 межпространственных областей между атомами, известной как наэлектризованное состояние. Это приводит к физическому превращению натрия из блестящего металла в прозрачный изолятор, поскольку свободные электроны поглощают и передают свет, а захваченные электроны его пропускают.
Однако расчеты исследователей впервые показали, что возникновение электризованного состояния можно объяснить химической связью. Под действием высокого давления электроны занимают новые орбитали в соответствующих атомах. Затем эти орбитали накладываются друг на друга, 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.
«Очевидно, что трудно провести эксперименты, повторяющие, скажем, условия в глубоких слоях атмосферы Юпитера, – говорят ученые, – но мы можем использовать расчеты и, в некоторых случаях, высокотехнологичные лазеры, чтобы смоделировать такие условия».
[Фото: ru.123rf.com]
