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 institution 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.

Fastställt nya användbara ekvationer 

Genom 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 hundratals 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.

Skapade databasen de själva saknat

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” i Chemical Science.

Den är skriven av Martin Rahm, institutionen för kemi och kemiteknik, Chalmers, Paul Erhart, institutionen för fysik, Chalmers och Roberto Cammi, vid universitetet i Parma.

För ytterligare information, kontakta:

Martin Rahm
Forskarassistent, Kemi och Kemiteknik,
Chalmers
martin.rahm@chalmers.se
+46 31 772 30 50

Mer om atomer och höga tryck

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.  

Joshua Worth
Kommunikatör
031 772 63 79
joshua.worth@chalmers.se

________________

Chalmers tekniska högskola i Göteborg forskar och utbildar inom teknik och naturvetenskap på hög internationell nivå. Universitetet har 3 100 anställda, 10 000 studenter och utbildar ingenjörer, arkitekter och sjöbefäl.

Med vetenskaplig excellens som grund utvecklar Chalmers kompetens och tekniska lösningar för en hållbar värld. Genom globalt engagemang och entreprenörsanda skapar vi innovationskraft, i nära samarbete med övriga samhället. EU:s största forskningsinitiativ – Graphene Flagship – leds av Chalmers, liksom bygget av en svensk kvantdator.

Chalmers grundades 1829 och har än idag samma motto: Avancez – framåt.