El metamorfismo del sodio a alta presión puede informarnos sobre el interior de estrellas y planetas

Viaje lo suficientemente profundo por debajo de la superficie de la Tierra o hacia el centro del Sol, y la materia cambia a nivel atómico.

El aumento de presión dentro de las estrellas y los planetas puede hacer que los metales se conviertan en aislantes no conductores. Se ha demostrado que el sodio se transforma de un metal gris brillante a un aislante transparente similar al vidrio cuando se presiona con suficiente fuerza.

Ahora, un estudio realizado por la Universidad de Buffalo ha revelado el enlace químico detrás de este fenómeno de alta presión.

Aunque se supone que la alta presión empuja principalmente los electrones del sodio hacia los espacios entre los átomos, los cálculos químicos cuánticos de los investigadores muestran que estos electrones todavía pertenecen a los átomos circundantes y están unidos químicamente entre sí.

«Estamos respondiendo a una pregunta muy simple sobre por qué el sodio se convierte en un aislante, pero predecir cómo se comportan otros elementos y compuestos químicos a presiones muy altas probablemente dará una idea de cuestiones más amplias», dice la profesora Eva Zurek, Ph.D. Química en la Facultad de Artes y Ciencias de la UB, y es coautor del estudio publicado en angioandte chemiRevista de la Sociedad Química Alemana. «¿Cómo es el interior de una estrella? ¿Cómo se generan los campos magnéticos planetarios, si existen? ¿Cómo evolucionan las estrellas y los planetas? Este tipo de investigaciones nos acerca a responder estas preguntas».

El estudio confirma y se basa en las predicciones teóricas del famoso físico Neil Ashcroft, a cuya memoria está dedicado el estudio.

Anteriormente se pensaba que los materiales siempre se volvían metálicos bajo alta presión, como el hidrógeno metálico que se cree que forma el núcleo de Júpiter, pero un artículo de Ashcroft y Geoffrey Netton de hace dos décadas encontró que algunos materiales, como el sodio, en realidad pueden convertirse en aislantes. o semi-aislantes Conectores al presionar. Plantearon la hipótesis de que los electrones del núcleo del sodio, que se pensaba que eran inertes, interactuarían entre sí y con los electrones de valencia externos cuando estuvieran bajo presión extrema.

«Nuestro trabajo ahora va más allá de la imagen física dibujada por Ashcroft y Newton, vinculándola a conceptos químicos de enlace», dice el autor principal del estudio dirigido por la UB, Stefano Racioppi, Ph.D., investigador postdoctoral en el Departamento de Química. .

Las presiones que se encuentran debajo de la corteza terrestre pueden ser difíciles de replicar en el laboratorio, por lo que utilizando supercomputadoras en el Centro de Investigación Computacional de la UB, el equipo realizó cálculos sobre cómo se comportan los electrones en los átomos de sodio cuando están bajo alta presión.

Los electrones quedan atrapados dentro de regiones espaciales entre átomos, lo que se conoce como estado de electrodo. Esto provoca la transformación física del sodio de un metal brillante a un aislante transparente, donde los electrones que fluyen absorben y retransmiten la luz, pero los electrones atrapados simplemente permiten que la luz pase.

Sin embargo, los cálculos de los investigadores mostraron por primera vez que la aparición del estado del electrodo puede explicarse mediante enlaces químicos.

La alta presión hace que los electrones ocupen nuevos orbitales dentro de sus átomos. Luego, estos orbitales se superponen entre sí para formar enlaces químicos, lo que provoca concentraciones localizadas de carga en las regiones intersticiales.

Si bien estudios anteriores ofrecían una teoría intuitiva de que la alta presión expulsa los electrones de los átomos, los nuevos cálculos encuentran que los electrones todavía son parte de los átomos circundantes.

«Nos dimos cuenta de que no se trata simplemente de electrones aislados que deciden abandonar los átomos», dice Racioppi, «sino que los electrones se comparten entre átomos en un enlace químico». «Son muy especiales».

Otros contribuyentes incluyen a Malcolm McMahon y Christian Sturm de la Facultad de Física y Astronomía y del Centro para la Ciencia en Condiciones Extremas de la Universidad de Edimburgo.

Este trabajo fue apoyado por el Centro para la Materia a Presión Atómica, un centro de la Fundación Nacional de Ciencias dirigido por la Universidad de Rochester que estudia cómo la presión dentro de las estrellas y los planetas puede reorganizar la estructura atómica de los materiales.

«Obviamente es difícil realizar experimentos que simulen, por ejemplo, las condiciones dentro de la atmósfera profunda de Júpiter, pero podemos usar cálculos y, en algunos casos, láseres de alta tecnología, para simular este tipo de condiciones», dice Zurek. «.