La tabla periódica ha sido una herramienta fundamental fundamental para la investigación de materiales desde que se creó por primera vez hace 150 años. Ahora, Martin Rahm de la Universidad Tecnológica de Chalmers presenta un nuevo artículo que agrega una dimensión completamente nueva a la mesa, ofreciendo un nuevo conjunto de principios para la investigación de materiales. El artículo se publica en la Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

El estudio mapea cómo tanto la electronegatividad como la configuración electrónica de los elementos cambian bajo presión. Estos hallazgos ofrecen a los investigadores de materiales un conjunto de herramientas completamente nuevo. Ante todo, significa que ahora es posible hacer predicciones rápidas sobre cómo ciertos elementos se comportarán a diferentes presiones, sin requerir pruebas experimentales o cálculos mecánicos cuánticos computacionalmente costosos.

"En la actualidad, la búsqueda de aquellos compuestos interesantes que aparecen a alta presión requiere una gran inversión de tiempo y recursos, tanto computacional como experimentalmente. Como consecuencia, sólo se ha investigado una pequeña fracción de todos los compuestos posibles. El trabajo que presentamos puede actuar como una guía para ayudar a explicar qué buscar y qué compuestos esperar cuando los materiales se colocan bajo alta presión. "dice Martin Rahm, Profesor asistente de química en Chalmers, quien dirigió el estudio.

A altas presiones, las propiedades de los átomos pueden cambiar radicalmente. El nuevo estudio muestra cómo la configuración electrónica y la electronegatividad de los átomos cambian a medida que aumenta la presión. La configuración electrónica es fundamental para la estructura de la tabla periódica. Determina a qué grupo del sistema pertenecen los diferentes elementos. La electronegatividad también es un concepto central de la química y puede verse como una tercera dimensión de la tabla periódica. Indica con qué fuerza los diferentes átomos atraen electrones. Juntos, La configuración electrónica y la electronegatividad son importantes para comprender cómo reaccionan los átomos entre sí para formar diferentes sustancias. A alta presión, átomos que normalmente no se combinan pueden crear nuevos, compuestos nunca antes vistos con propiedades únicas. Dichos materiales pueden inspirar a los investigadores a probar otros métodos para crearlos en condiciones más normales. y danos una nueva perspectiva de cómo funciona nuestro mundo.

"A alta presión, Pueden surgir estructuras químicas extremadamente fascinantes con cualidades inusuales, y pueden producirse reacciones que son imposibles en condiciones normales. Mucho de lo que nosotros, como químicos, sabemos sobre las propiedades de los elementos en condiciones ambientales, simplemente ya no es cierto. ¡Básicamente, puedes tomar gran parte de tu educación química y tirarla por la ventana! En la dimensión de la presión hay una cantidad increíble de nuevas combinaciones de átomos para investigar ", dice Martin Rahm.

Un ejemplo bien conocido de lo que puede suceder a alta presión es cómo se pueden formar diamantes a partir de grafito. Otro ejemplo es la polimerización de gas nitrógeno, donde los átomos de nitrógeno son forzados a unirse en una red tridimensional. Estos dos materiales de alta presión son muy diferentes entre sí. Mientras que el carbono conserva su estructura de diamante, El nitrógeno polimerizado es inestable y vuelve a su forma gaseosa cuando se libera la presión. Si la estructura polimérica del nitrógeno pudiera mantenerse a presiones normales, sin duda sería el compuesto químico más denso en energía de la Tierra.

En la actualidad, varios grupos de investigación utilizan altas presiones para crear superconductores, materiales que pueden conducir la electricidad sin resistencia. Algunos de estos superconductores de alta presión funcionan cerca de la temperatura ambiente. Si un material de este tipo pudiera funcionar a presión normal, sería revolucionario, habilitando, por ejemplo, Transferencia de energía sin pérdidas y levitación magnética más barata.

"Primero y ante todo, nuestro estudio ofrece interesantes posibilidades para sugerir nuevos experimentos que pueden mejorar nuestra comprensión de los elementos. Incluso si muchos materiales resultantes de tales experimentos resultan inestables a presión normal, pueden darnos una idea de qué propiedades y fenómenos son posibles. Los pasos posteriores serán encontrar otras formas de alcanzar los mismos resultados, "dice Martin Rahm.

Investigación de alta presión

La investigación ha predicho teóricamente cómo cambia la naturaleza de 93 de los 118 elementos de la tabla periódica a medida que aumenta la presión desde 0 pascales hasta 300 gigapascales (GPa). 1 GPa es aproximadamente 10, 000 veces la presión de la superficie terrestre. 360 GPa corresponde a la presión extremadamente alta que se encuentra cerca del núcleo de la Tierra. La tecnología para recrear esta presión existe en diferentes laboratorios, por ejemplo, utilizando células de yunque de diamante o experimentos de choque.

"La presión a la que estamos acostumbrados en la superficie de la Tierra es bastante poco común, visto desde una perspectiva más amplia. Además de facilitar la síntesis de materiales a alta presión en la Tierra, nuestro trabajo también puede permitir una mejor comprensión de los procesos que ocurren en otros planetas y lunas. Por ejemplo, en el mar más grande del sistema solar, muchas millas bajo la superficie de Ganímedes, la luna de Júpiter. O dentro de los planetas gigantes, donde la presión es enorme, "dice Martin Rahm.

El trabajo se realizó mediante un modelo matemático, en el que cada átomo se colocó en el medio de una cavidad esférica. El efecto del aumento de presión se simuló mediante la reducción gradual del volumen de la esfera. Las propiedades físicas de los átomos en diferentes etapas de compresión podrían calcularse utilizando la mecánica cuántica.

A alta presión, los átomos y las moléculas se acercan, y asumir diferentes estructuras atómicas y electrónicas. Una consecuencia de esto es que los materiales que suelen ser semiconductores o aislantes pueden transformarse en metales.

Solo algunos materiales que se forman a alta presión conservan su estructura y propiedades cuando vuelven a la presión ambiental.