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大的压力会使金属变成不导电的绝缘体。研究表明，当受到足够的挤压时，钠可以从一种有光泽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。
虽然从理论上讲，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，这些电子仍然非常属于周围的原子，并且彼此之间存在化学键合。
“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，但是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让我们深入了解更大的问题，”Eva Zurek博士说，她是UB艺术与科学学院的化学教授，也是该研究的合著者，该研究发表在德国化学学会的Angewandte Chemie杂志上。“恒星的内部是什么样的?”行星的磁场是如何产生的，如果确实存在的话?恒星和行星是如何演化的?这种类型的研究使我们更接近于回答这些问题。”
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(Neil Ashcroft)的理论预测之上，这项研究就是为了纪念他。
人们曾经认为，材料在高压下总是变成金属，就像理论上构成木星核心的金属氢一样，但阿什克罗夫特和杰弗里·尼顿在20年前的开创性论文中发现，一些材料，如钠，在受到挤压时实际上可以变成绝缘体或半导体。他们的理论是，钠的核心电子被认为是惰性的，在极端压力下会相互作用，并与外部价电子相互作用。
“我们的工作现在超越了Ashcroft和Neaton所描绘的物理图景，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Stefano Racioppi博士说。
地壳下的压力很难在实验室中复制，因此，研究小组利用UB计算研究中心的超级计算机，计算了钠原子在高压下的电子行为。
电子被困在原子间的空间区域，称为电子态。这导致钠从闪亮的金属转变为透明的绝缘体，因为自由流动的电子吸收并重新传输光，但被困的电子只是让光通过。
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。
高压使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，在间隙区域引起局部电荷浓度。
虽然以前的研究提供了一个直观的理论，即高压将电子从原子中挤出来，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，电子通过化学键在原子之间共享，”Racioppi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。
这项工作得到了原子压力物质中心的支持，这是一个由罗切斯特大学领导的国家科学基金会中心，研究恒星和行星内部的压力如何重新排列物质的原子结构。
Zurek说:“很明显，很难进行实验来复制木星大气层深处的条件，但我们可以使用计算，在某些情况下，高科技激光，来模拟这些条件。”
更多信息:Stefano Racioppi等人，On Electride Nature of Na‐hP4, Angewandte Chemie International Edition(2023)。DOI: 10.1002 / anie.202310802
布法罗大学提供
引用:钠的高压转变可以告诉我们恒星，行星的内部(2023,12月30日)2023年12月30日从httpsokphys.org/news/2023-12-sodium-high-pressure-interiors-stars-planets.html检索
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