A tabela periódica tem sido uma ferramenta fundamental fundamental para a pesquisa de materiais desde que foi criada há 150 anos. Agora, Martin Rahm, da Chalmers University of Technology, apresenta um novo artigo que adiciona uma dimensão inteiramente nova à mesa, oferecendo um novo conjunto de princípios para pesquisa de materiais. O artigo foi publicado no Jornal da American Chemical Society .

O estudo mapeia como a eletronegatividade e a configuração eletrônica dos elementos mudam sob pressão. Essas descobertas oferecem aos pesquisadores de materiais um conjunto inteiramente novo de ferramentas. Principalmente, isso significa que agora é possível fazer previsões rápidas sobre como certos elementos se comportarão em diferentes pressões, sem a necessidade de testes experimentais ou cálculos de mecânica quântica caros computacionalmente.

"Atualmente, a busca por esses compostos interessantes que aparecem em alta pressão requer um grande investimento de tempo e recursos, tanto computacionalmente quanto experimentalmente. Como consequência, apenas uma pequena fração de todos os compostos possíveis foi investigada. O trabalho que estamos apresentando pode servir como um guia para ajudar a explicar o que procurar e quais compostos esperar quando os materiais são colocados sob alta pressão, "diz Martin Rahm, Professor assistente de química na Chalmers, quem conduziu o estudo.

Em altas pressões, as propriedades dos átomos podem mudar radicalmente. O novo estudo mostra como a configuração eletrônica e a eletronegatividade dos átomos mudam com o aumento da pressão. A configuração do elétron é fundamental para a estrutura da tabela periódica. Ele determina a qual grupo do sistema pertencem os diferentes elementos. A eletronegatividade também é um conceito central para a química e pode ser vista como uma terceira dimensão da tabela periódica. Indica a intensidade com que átomos diferentes atraem elétrons. Juntos, a configuração do elétron e a eletronegatividade são importantes para entender como os átomos reagem uns com os outros para formar substâncias diferentes. Em alta pressão, átomos que normalmente não se combinam podem criar novos, compostos nunca antes vistos com propriedades únicas. Esses materiais podem inspirar os pesquisadores a tentar outros métodos para criá-los em condições mais normais, e nos dá uma nova visão de como nosso mundo funciona.

"Em alta pressão, estruturas químicas extremamente fascinantes com qualidades incomuns podem surgir, e podem ocorrer reações que são impossíveis em condições normais. Muito do que nós, como químicos, sabemos sobre as propriedades dos elementos em condições ambientais simplesmente não é mais verdadeiro. Você pode basicamente pegar grande parte de sua formação em química e jogá-la pela janela! Na dimensão de pressão existe um número inacreditável de novas combinações de átomos a serem investigadas ”, diz Martin Rahm.

Um exemplo bem conhecido do que pode acontecer em alta pressão é como os diamantes podem ser formados a partir do grafite. Outro exemplo é a polimerização de gás nitrogênio, onde os átomos de nitrogênio são forçados a se unir em uma rede tridimensional. Esses dois materiais de alta pressão são muito diferentes um do outro. Considerando que o carbono retém sua estrutura de diamante, o nitrogênio polimerizado é instável e volta à forma gasosa quando a pressão é liberada. Se a estrutura do polímero de nitrogênio pudesse ser mantida em pressões normais, seria sem dúvida o composto químico mais denso em energia da Terra.

Atualmente, vários grupos de pesquisa usam altas pressões para criar supercondutores - materiais que podem conduzir eletricidade sem resistência. Alguns desses supercondutores de alta pressão funcionam próximo à temperatura ambiente. Se tal material pudesse ser feito para trabalhar com pressão normal, seria revolucionário, possibilitando, por exemplo, transferência de energia sem perdas e levitação magnética mais barata.

"Em primeiro lugar, nosso estudo oferece possibilidades empolgantes para sugerir novos experimentos que podem melhorar nossa compreensão dos elementos. Mesmo que muitos materiais resultantes de tais experimentos se mostrem instáveis ​​à pressão normal, eles podem nos dar insights sobre quais propriedades e fenômenos são possíveis. As etapas a seguir serão encontrar outras maneiras de alcançar os mesmos resultados, "diz Martin Rahm.

Pesquisa de alta pressão

A pesquisa previu teoricamente como a natureza de 93 dos 118 elementos da tabela periódica muda conforme a pressão aumenta de 0 pascal até 300 gigapascals (GPa). 1 GPa é cerca de 10, 000 vezes a pressão da superfície da Terra. 360 GPa corresponde à pressão extremamente alta encontrada perto do núcleo da Terra. A tecnologia para recriar essa pressão existe em diferentes laboratórios, por exemplo, usando células de bigorna de diamante ou experimentos de choque.

"A pressão a que estamos acostumados na superfície da Terra é bastante incomum, visto de uma perspectiva mais ampla. Além de facilitar a síntese de materiais de alta pressão na Terra, nosso trabalho também pode permitir uma melhor compreensão dos processos que ocorrem em outros planetas e luas. Por exemplo, no maior mar do sistema solar, muitas milhas sob a superfície da lua de Júpiter, Ganimedes. Ou dentro dos planetas gigantes, onde a pressão é enorme, "diz Martin Rahm.

O trabalho foi feito usando um modelo matemático, em que cada átomo foi colocado no meio de uma cavidade esférica. O efeito do aumento da pressão foi simulado por meio da redução gradual do volume da esfera. As propriedades físicas dos átomos em diferentes estágios de compressão poderiam então ser calculadas usando a mecânica quântica.

Em alta pressão, átomos e moléculas se aproximam, e assumir diferentes estruturas atômicas e eletrônicas. Uma consequência disso é que materiais que geralmente são semicondutores ou isolantes podem se transformar em metais.

Apenas alguns materiais que se formam em alta pressão retêm sua estrutura e propriedades quando retornam à pressão ambiente.