Storleken spelar roll för atomers egenskaper

– Kunskap om atomernas storlek och deras egenskaper är viktigt för att rationalisera kemisk reaktivitet, struktur och egenskaper hos molekyler och material av alla slag. Det här är grundforskning som är nödvändig för att vi ska kunna göra de framtida stora genombrotten, säger Martin Rahm, artikelns huvudförfattare och forskningsledare på Chalmers.

Forskarna bakom studien, där även Paul Erhart från Chalmers institutionen för fysik och Roberto Cammi från universitet i Parma ingår​, har tidigare arbetat med kvantmekaniska beräkningar för att visa hur egenskaper hos atomer väntas förändras under högt tryck. Resultaten har presenterats i vetenskapliga artiklar i Journal of the American Chemical Society och ChemPhysChem. I den nya studien, som publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Chemical Science, har de tagit nästa steg. Huvudfrågan som utforskats är sambandet mellan atomradie och elektronegativitet – en saknad koppling mellan styrande kemiska mängder, som har diskuterats sedan 1950-talet. ​

Martin RahmGenom att studera hur kompression påverkar enstaka atomer har forskarna kunnat ta fram en uppsättning​ ekvationer som kan förklara hur förändringar i en egenskap, en atomstorlek, kan översättas och förstås som förändringar i både total energi och elektronegativitet.Härledningen har gjorts för speciella tryck då atomer kan ta någon av två väldefinierade energier, två radier och två elektronegativiteter.

– Detta uttryck kan till exempel hjälpa till att förklara hur ökandet av en atoms oxidationstillstånd även ökar dess elektronegativitet och vice versa vid reduktion, säger Martin Rahm.

Nyckel till outforskad materialvetenskap

​
En sporre i studien har varit att ge bättre förutsättningar och nya möjligheter för tillverkning av material under högt tryck. Trycket i mitten av jorden motsvarar 100-tals gigapascal vilket också är tillgängligt i laboratorier nuförtiden. Exempel på områden där tryck används idag är för syntes av supraledare, material som kan leda ström utan motstånd, men forskarna ser många fler möjligheter framför sig. ​
​
– Tryck är en i stort sett outforskad dimension inom materialvetenskap, men intresset för att få fram nya fenomen, egenskaper och material genom att trycka på olika föreningar, växer sig allt större, säger Martin Rahm.

​Den stora mängden av data som forskarna har insamlat har nu sammanfattats i en databas och gjorts tillgänglig som en användarvänlig webbapplikation. Utvecklandet av webbapplikationen har stötts av Chalmers styrkeområde för materialvetenskap och möjliggjorts genom ett samarbete med Paul Erharts grupp på Institutionen för Fysik.

I databasen kan användaren nu enkelt utforska hur det periodiska systemet ser ut vid olika tryck. I den aktuella vetenskapliga publikationen visar forskarna hur detta verktyg kan användas för att ge ny insikt i kemi med hjälp av några exempel. Egenskaperna hos järn och kisel, två vanliga element i jordskorpan, manteln och kärnan, jämförs och visar på stora skillnader.

– Databasen är något jag själv saknat under många år. Vår förhoppning är att den ska bli till stor hjälp och användas av kemister och materialforskare som studerar och arbetar med höga tryck. Vi har redan använt den för att styra teoretiska sökningar efter nya övergångsmetallfluorider, säger Martin Rahm.

Läs den vetenskapliga artikeln ”Relating atomic energy, radius and elctronegativity through compression”​​​
Den är skriven av Martin Rahm, Kemi och kemiteknik, Chalmers, Paul Erhart, Fysik, Chalmers och Roberto Cammi, Universitetet i Parma

Vid höga tryck närmar sig atomer och molekyler varandra, vilket påverkar deras elektroniska och atomära struktur. Bland annat leder detta till att nya kemiska bindningar bildas. Halvledare och isolatorer kan även förvandlas till metaller. I vissa fall kan material som bildas under höga tryck ha kvar sin struktur och sina egenskaper när trycket återgår till normalt. Ett typexempel är diamant som bildas från vanlig grafit under höga tryck. ​