Viaje profundamente abaixo da superfície da Terra ou dentro do centro do Sol, e a matéria muda em nível atômico.



A pressão crescente dentro das estrelas e dos planetas pode fazer com que os metais se tornem isolantes não condutores. Foi demonstrado que o sódio se transforma de um metal brilhante de cor cinza em um isolante transparente semelhante a vidro quando comprimido com força suficiente.

Agora, um estudo liderado pela Universidade de Buffalo revelou a ligação química por trás deste fenômeno específico de alta pressão.

Embora tenha sido teorizado que a alta pressão essencialmente comprime os elétrons do sódio nos espaços entre os átomos, os cálculos químicos quânticos dos pesquisadores mostram que esses elétrons ainda pertencem aos átomos circundantes e estão quimicamente ligados uns aos outros.

"Estamos respondendo a uma pergunta muito simples de por que o sódio se torna um isolante, mas prever como outros elementos e compostos químicos se comportam em pressões muito altas fornecerá potencialmente informações sobre questões mais amplas", diz Eva Zurek, Ph.D., professora de química na Faculdade de Artes e Ciências da UB e coautor do estudo, que foi publicado na Angewandte Chemie , um jornal da Sociedade Química Alemã. "Como é o interior de uma estrela? Como são gerados os campos magnéticos dos planetas, se é que existem? E como evoluem as estrelas e os planetas? Este tipo de investigação aproxima-nos da resposta a estas questões."

O estudo confirma e baseia-se nas previsões teóricas do falecido renomado físico Neil Ashcroft, a cuja memória o estudo é dedicado.

Antigamente, pensava-se que os materiais sempre se tornavam metálicos sob alta pressão – como o hidrogênio metálico que se teoriza ser o núcleo de Júpiter – mas o artigo seminal de Ashcroft e Jeffrey Neaton, há duas décadas, descobriu que alguns materiais, como o sódio, podem na verdade se tornar isolantes ou semicondutores quando comprimidos. Eles teorizaram que os elétrons do núcleo do sódio, considerados inertes, interagiriam entre si e com os elétrons de valência externos quando sob extrema pressão.

"Nosso trabalho agora vai além do quadro da física pintado por Ashcroft e Neaton, conectando-o com conceitos químicos de ligação", diz o autor principal do estudo liderado pela UB, Stefano Racioppi, Ph.D., pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Química da UB. .

As pressões encontradas abaixo da crosta terrestre podem ser difíceis de replicar em laboratório, por isso, usando supercomputadores no Centro de Pesquisa Computacional da UB, a equipe realizou cálculos sobre como os elétrons se comportam nos átomos de sódio quando sob alta pressão.

Os elétrons ficam presos nas regiões interespaciais entre os átomos, conhecido como estado de eletreto. Isso causa a transformação física do sódio de metal brilhante em isolante transparente, à medida que os elétrons de fluxo livre absorvem e retransmitem a luz, mas os elétrons presos simplesmente permitem que a luz passe.

No entanto, os cálculos dos investigadores mostraram pela primeira vez que o surgimento do estado eletreto pode ser explicado através de ligações químicas.

A alta pressão faz com que os elétrons ocupem novos orbitais dentro de seus respectivos átomos. Esses orbitais então se sobrepõem para formar ligações químicas, causando concentrações de carga localizadas nas regiões intersticiais.

Embora estudos anteriores oferecessem uma teoria intuitiva de que a alta pressão comprimia os elétrons dos átomos, os novos cálculos descobriram que os elétrons ainda fazem parte dos átomos circundantes.

“Percebemos que não se trata apenas de elétrons isolados que decidiram deixar os átomos. Em vez disso, os elétrons são compartilhados entre os átomos em uma ligação química”, diz Racioppi. "Eles são muito especiais."

Outros colaboradores incluem Malcolm McMahon e Christian Storm, da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Edimburgo e do Centro de Ciência em Condições Extremas.

O trabalho foi apoiado pelo Center for Matter at Atomic Pressure, um centro da National Science Foundation liderado pela Universidade de Rochester que estuda como a pressão dentro de estrelas e planetas pode reorganizar a estrutura atômica dos materiais.

“Obviamente é difícil realizar experiências que reproduzam, digamos, as condições dentro das camadas atmosféricas profundas de Júpiter”, diz Zurek, “mas podemos usar cálculos e, em alguns casos, lasers de alta tecnologia, para simular este tipo de condições. ."

Mais informações: Stefano Racioppi et al, On the Electride Nature of Na‐hP4, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202310802
Informações do diário: Angewandte Chemie , Angewandte Chemie Edição Internacional

Fornecido pela Universidade de Buffalo