在地球表面以下或太阳中心内部足够深的地方，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。研究表明，当受到足够的挤压时，钠会从一种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合。

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中，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，并且彼此通过化学键合。

“我们正在回答一个非常简单的问题，即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如何表现将有可能深入了解更大的问题，”教授EvaZurek博士说布法罗大学艺术与科学学院化学博士，该研究的合著者，该研究发表在德国化学会期刊AngewandteChemie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?这类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(NeilAshcroft)的理论预测的基础上，这项研究是为了纪念他。

人们曾经认为材料在高压下总是会变成金属——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·尼顿二十年前的开创性论文发现，一些材料，比如钠，在受到挤压时实际上可以变成绝缘体或半导体。他们推测，钠的核心电子(被认为是惰性的)在极端压力下会彼此相互作用，并与外部价电子相互作用。

布法罗大学领导的这项研究的主要作者、布法罗大学化学系博士后研究员StefanoRacioppi博士说：“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，将其与键合的化学概念联系起来。”。

地壳以下的压力很难在实验室中复制，因此该团队利用布法罗大学计算研究中心的超级计算机，对钠原子中的电子在高压下的行为进行了计算。

电子被捕获在原子之间的空间区域内，称为电子化物态。这导致钠的物理转变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传输光，但被捕获的电子只是让光通过。

然而，研究人员的计算首次表明，电子化物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内占据新的轨道。然后这些轨道相互重叠形成化学键，导致间隙区域出现局部电荷集中。

虽然之前的研究提供了一种直观的理论，即高压将电子从原子中挤出，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，电子以化学键的形式在原子之间共享，”拉西奥皮说。“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学院以及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材料的原子结构。

祖雷克说：“显然，很难进行复制木星深层大气层内条件的实验，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些条件”。

版权说明：本站所有作品图文均由用户自行上传分享，仅供网友学习交流。若您的权利被侵害，请联系我们

标签：