钠的高压转变可以告诉我们恒星、行星

在地球表面以下或太阳中心内部足够深的地方旅行，物质会在原子水平上发生变化。

恒星和行星内部不断增加的压力会导致金属变成不导电的绝缘体。

事实证明，当受到足够大的挤压时，钠会从闪亮的灰色金属转变为透明的玻璃状绝缘体。

现在，布法罗大学领导的一项研究揭示了这种特殊高压现象背后的化学键。

虽然理论上认为高压本质上是将钠的电子挤压到原子之间的空间，但研究人员的量子化学计算表明，这些电子仍然在很大程度上属于周围的原子，并以化学键相互结合。

“我们正在回答一个非常简单的问题，为什么钠会成为绝缘体，但预测其他元素和化合物在非常高的压力下的行为将有可能洞察更大的问题，”UB文理学院化学教授、该研究的合著者伊娃·祖雷克博士说。该研究发表在安格万德化学公司德国化学学会的期刊。

“恒星的内部是什么样的?如果行星的磁场确实存在的话，它是如何产生的?恒星和行星是如何演化的?这种类型的研究使我们更接近回答这些问题。"

这项研究证实并建立在已故著名物理学家尼尔·阿什克罗夫特的理论预测基础上，这项研究是为了纪念他。

人们曾经认为物质总是在高压下变成金属——就像理论上构成木星内核的金属氢——但阿什克罗夫特和杰弗里·尼顿20年前的开创性论文发现，一些物质，比如钠，在受到挤压时实际上可以变成绝缘体或半导体。

他们认为钠的核心电子被认为是惰性的，在极端压力下会相互作用并与外层价电子相互作用。

“我们的工作现在超越了阿什克罗夫特和尼顿描绘的物理图景，将其与化学键的化学概念联系起来，”UB领导的研究的主要作者、UB化学系博士后研究员斯特凡诺·拉齐奥皮博士说。

地壳以下的压力很难在实验室中复制，因此该团队使用UB计算研究中心的超级计算机对高压下钠原子中的电子行为进行了计算。

电子被捕获在原子间的空隙区域内，称为电子态。

 

这导致钠从闪亮的金属变成透明的绝缘体，因为自由流动的电子吸收并重新发射光，但被捕获的电子只允许光通过。

然而，研究人员的计算首次表明电子态的出现可以通过化学键来解释。

高压导致电子在各自的原子中占据新的轨道。

然后这些轨道相互重叠形成化学键，在间隙区域造成局部电荷集中。

虽然先前的研究提供了一个直观的理论，即高压将电子挤出原子，但新的计算发现电子仍然是周围原子的一部分。

“我们意识到这些不仅仅是决定离开原子的孤立电子。相反，化学键中的原子共享电子，”拉齐奥皮说。

“它们很特别。”

其他贡献者包括来自爱丁堡大学物理与天文学院和极端条件科学中心的马尔科姆·麦克马洪和克里斯蒂安·斯托姆。

这项工作得到了罗切斯特大学领导的国家科学基金会中心原子压力物质中心的支持，该中心研究恒星和行星内部的压力如何重新排列材料的原子结构。

“很明显，很难进行复制木星深层大气条件的实验，”祖雷克说，“但我们可以使用计算，在某些情况下使用高科技激光来模拟这种条件。”

来源: Materials provided by University at Buffalo. Original written by Tom Dinki.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Stefano Racioppi, Christian V. Storm, Malcolm I. McMahon, Eva Zurek. On the Electride Nature of Na‐hP4. Angewandte Chemie International Edition, 2023; 62 (48) DOI: 10.1002/anie.202310802