Periodiska systemet skrivs om när atomer utsätts för högt tryck
Atomernas grundläggande egenskaper kan förändras under högt tryck. Detta ger en ny dimension till periodiska systemet – och helt nya förutsättningar för materialforskning, enligt forskning från Chalmers.
Det periodiska systemet har varit ett centralt verktyg för materialforskning sedan det först skapades för 150 år sedan. Nu visar Chalmersforskaren Martin Rahm i en studie hur grundämnenas elektronegativitet och elektronkonfiguration förändras under tryck.
Resultaten ger forskare en helt ny verktygslåda att utgå ifrån. Framför allt innebär resultaten att det blir möjligt att göra snabba förutsägelser om hur ett visst ämne kommer att bete sig under olika tryck, utan experimentella tester eller resurskrävande kvantmekaniska beräkningar.
Lättare att förutse kemiska reaktioner
– Idag behövs mycket tid och resurser läggas både på experiment och kvantmekaniska beräkningar för att söka efter intressanta föreningar som kan bildas under höga tryck. På grund av detta har bara en bråkdel av alla möjliga föreningar kartlagts. Vår artikel är en guide som hjälper till att ta reda på var vi ska söka och vilka föreningar vi kan förvänta oss när material utsätts för höga tryck, säger Martin Rahm, forskarassistent inom kemi på Chalmers, som lett studien.
När atomer utsätts för höga tryck förändras deras egenskaper radikalt. Den publicerade studien visar hur atomernas elektronkonfiguration och elektronegativitet förändras när trycket successivt stiger. Elektronkonfigurationen är själva grundbulten i det periodiska systemet och bestämmer vilken grupp i systemet de olika atomerna tillhör.
En tredje dimension till periodiska systemet
Elektronegativiteten är också ett centralt koncept inom kemivetenskap och kan ses som en tredje dimension av det periodiska systemet. Elektronegativitet ger en uppfattning om hur starkt olika atomer attraherar elektroner. Det är viktigt att ha kunskap om både elektronkonfiguration och elektronegativitet för att förstå hur atomer reagerar med varandra för att bilda olika material. Atomer som normalt inte går att kombinera kan vid höga tryck skapa aldrig tidigare skådade föreningar med unika egenskaper. Sådana material kan inspirera forskare att försöka tillverka dem under mer normala förhållanden, och ge oss ny insikt i hur vår värld fungerar.
– Väldigt fascinerande kemiska strukturer och egenskaper uppkommer under högt tryck, och reaktioner sker som är omöjliga under normala förhållanden. Mycket av det man som kemist har lärt sig om grundämnenas egenskaper stämmer inte längre. Man kan helt enkelt ta mycket av sin kemiutbildning och kasta ut den genom fönstret! I tryckdimensionen finns otroligt många nya kombinationer av atomer att undersöka, säger Martin Rahm.
Diamant ett exempel
Ett välkänt exempel på vad som kan ske under högre tryck är bildandet av diamant från grafit. Ett annat exempel är polymerisation av kvävgas, där kväveatomer tvingas bindas samman i ett nätverk. De två exemplen är helt olika varandra. Lättar man på trycket blir kolet kvar i en diamantkonfiguration medan kvävet återgår till gasform. Om man skulle lyckas bibehålla polymerstrukturen av kväve även vid normaltryck skulle detta utan tvekan var den mest energirika kemiska föreningen på jorden.
Vid höga tryck närmar sig atomer och molekyler varandra, vilket påverkar deras elektroniska och atomära struktur. Bland annat leder detta till att halvledare och isolatorer kan förvandlas till metaller. Det hör till ovanligheterna att ämnen som bildas under högt tryck har kvar sin struktur och sina egenskaper när trycket återgår till normalt.
Flertalet forskargrupper använder idag höga tryck för att skapa supraledare, material som kan leda ström utan motstånd. Några av dessa högtryckssupraledare fungerar nära rumstemperatur. Skulle ett sådant material även fungerar vid normala tryck skulle det vara revolutionerande för till exempel förlustfri kraftöverföring och billigare magnetisk levitation.
– Främst ger vår studie spännande möjligheter till att föreslå nya experiment som kan förbättra vår förståelse av grundämnena. Även om många material som skapas i sådana experiment visar sig vara instabila vid normala tryck ger de oss ändå insikt i vilka egenskaper och fenomen som är möjliga. Stegen därefter blir att hitta andra vägar för att nå samma resultat, säger Martin Rahm.
Forskning under höga tryck
Forskningen förutspår hur egenskaperna hos 93 av de 118 grundämnena i det periodiska systemet förändras när trycket stiger från 0 pascal till 300 gigapascal (GPa). 1 GPa är ungefär lika med 10 000 gånger trycket vid jorden yta. 360 GPa motsvarar det extremt höga tryck som finns i vår planets mitt. Tekniker för att återskapa dessa tryck finns i olika laboratorium, till exempel med hjälp av diamantpressar eller chockexperiment.
– Det tryck som vi är vana vid på jordens yta är egentligen ovanligt, sett ur ett större perspektiv. Förutom att förbättra förutsättningarna för högtrycksmaterialforskning på jorden, kan vårt arbete även möjliggöra bättre förståelse för processer som sker inuti andra planeter och månar. Till exempel finns solsystemets största hav många mil under isen på Jupiters måne Ganymedes, och i de stora gasjättarna är trycket enormt, säger Martin Rahm.
Studien genomfördes genom att i en matematisk modell placera varje atom i mitten av en sfär. Effekten av ett ökat tryck simulerades genom att sfärens volym successivt minskades. Atomernas egenskaper vid olika kompressionsgrader kunde då tas fram genom kvantmekaniska beräkningar.
Forskningen utfördes tillsammans med kollegorna Roberto Cammi, vid University of Parma samt Neil Ashcroft och nobelpristagaren Roald Hoffmann, båda från Cornell University.
www.rahmlab.com
Vetenskaplig artikel:
Squeezing All Elements in the Periodic Table: Electron Configuration and Electronegativity of the Atoms under Compression (Journal of the American Chemistry Society)
Kontakt:
Martin Rahm, forskarassistent, Kemi och Kemiteknik, Chalmers
martin.rahm@chalmers.se
