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La tabla periódica ha sido una herramienta vital para la investigación de materiales desde que se creó hace 150 años. Ahora Martin Rahm, de la Universidad Tecnológica de Chalmers, presenta un nuevo artículo que agrega una dimensión completamente nueva a la mesa, ofreciendo un nuevo conjunto de principios para la investigación de materiales. El artículo se publica en el Journal of the American Chemical Society.
Courtesy Chalmers University: El estudio de la tabla periódica mapea cómo la electronegatividad y la configuración electrónica de los elementos cambian bajo presión. Estos hallazgos ofrecen a los investigadores materiales un conjunto completamente nuevo de herramientas. Primero, esto significa que ahora es posible hacer predicciones rápidas sobre cómo se comportarán ciertos elementos a diferentes presiones sin requerir pruebas experimentales o cálculos computacionales cuánticos costosos computacionalmente.
“Actualmente, la búsqueda de compuestos interesantes que aparezcan bajo alta presión requiere una gran inversión de tiempo y recursos, tanto computacional como experimentalmente. Como consecuencia, solo se investigó una pequeña fracción de todos los compuestos posibles. El trabajo que presentamos puede actuar como una guía para ayudar a explicar qué buscar y qué compuestos esperar cuando los materiales se colocan bajo alta presión ”, dice Martin Rahm, profesor asistente de química en Chalmers, quien dirigió el estudio.
A altas presiones, las propiedades de los átomos pueden cambiar radicalmente. El nuevo estudio muestra cómo la configuración electrónica y la electronegatividad de los átomos cambian a medida que aumenta la presión. La configuración electrónica es fundamental para la estructura de la tabla periódica. Determina a qué grupo del sistema pertenecen los diferentes elementos. La electronegatividad también es un concepto central para la química y puede verse como una tercera dimensión de la tabla periódica. Indica cuán fuertemente diferentes átomos atraen electrones. En conjunto, la configuración electrónica y la electronegatividad son importantes para comprender cómo reaccionan los átomos entre sí para formar diferentes sustancias. A alta presión, los átomos que normalmente no se combinan pueden crear compuestos nuevos y sin precedentes con propiedades únicas. Dichos materiales pueden inspirar a los investigadores a probar otros métodos para crearlos en condiciones más normales y darnos una nueva visión de cómo funciona el mundo.
“A alta presión, pueden surgir estructuras químicas extremadamente fascinantes con cualidades inusuales, y pueden ocurrir reacciones que son imposibles en condiciones normales. Mucho de lo que nosotros como químicos sabemos sobre las propiedades de los elementos en condiciones ambientales simplemente ya no es cierto. ¡Básicamente puedes tomar mucha de tu educación química y tirarla por la ventana! En la dimensión de presión, hay una increíble cantidad de nuevas combinaciones de átomos para investigar ”, dice Martin Rahm.
Un ejemplo bien conocido de lo que puede suceder con alta presión es cómo se pueden formar diamantes a partir del grafito. Otro ejemplo es la polimerización de gas nitrógeno, donde los átomos de nitrógeno se ven obligados a unirse en una red tridimensional. Estos dos materiales de alta presión son muy diferentes entre sí. Mientras que el carbono mantiene su estructura de diamante, el nitrógeno polimerizado es inestable y vuelve a la forma de gas cuando se libera la presión. Si la estructura polimérica del nitrógeno pudiera mantenerse a presiones normales, sin duda sería el compuesto químico más denso en energía de la tierra.
Hoy, muchos grupos de investigación usan altas presiones para crear superconductores, materiales que pueden conducir electricidad sin resistencia. Algunos de estos superconductores de alta presión funcionan cerca de la temperatura ambiente. Si dicho material pudiera funcionar bajo presión normal, sería revolucionario, permitiendo, por ejemplo, una transferencia de energía sin pérdidas y una levitación magnética más barata.
“Primero, nuestro estudio ofrece posibilidades interesantes para sugerir nuevos experimentos que pueden mejorar nuestra comprensión de los elementos. Aunque muchos materiales resultantes de tales experimentos son inestables bajo presión normal, pueden proporcionarnos información sobre qué propiedades y fenómenos son posibles. Los próximos pasos serán encontrar otras formas de lograr los mismos resultados”, dice Martin Rahm.
Investigación de alta presión:
La investigación predijo teóricamente cómo cambia la naturaleza de 93 de los 118 elementos de la tabla periódica a medida que la presión aumenta de 0 pascales a 300 gigapascales (GPa). 1 GPa es aproximadamente 10,000 veces la presión de la superficie de la tierra. 360 GPa corresponde a la presión extremadamente alta que se encuentra cerca del núcleo de la Tierra. La tecnología para recrear esta presión existe en diferentes laboratorios, por ejemplo, utilizando células de yunque de diamante o experimentos de choque.
“La presión a la que estamos acostumbrados en la superficie de la tierra es bastante inusual desde una perspectiva más amplia. Además de facilitar la síntesis de materiales de alta presión en la Tierra, nuestro trabajo también puede permitir una mejor comprensión de los procesos que ocurren en otros planetas y lunas. Por ejemplo, en el mar más grande del sistema solar, muchos kilómetros debajo de la superficie de la luna de Júpiter, Ganímedes. O dentro de los planetas gigantes donde la presión es enorme «, dice Martin Rahm.
El trabajo se realizó utilizando un modelo matemático en el que cada átomo se colocó en el medio de una cavidad esférica. El efecto de aumentar la presión se simuló reduciendo gradualmente el volumen de la esfera. Las propiedades físicas de los átomos en diferentes etapas de compresión pod
Mas informaciones:
A alta presión, los átomos y las moléculas se unen y adoptan diferentes estructuras atómicas y electrónicas. Una consecuencia de esto es que los materiales que generalmente son semiconductores o aislantes pueden convertirse en metales.
Solo algunos materiales que se forman a alta presión conservan su estructura y propiedades cuando vuelven a la presión ambiente.
La investigación se realizó conjuntamente con sus colegas Roberto Cammi de la Universidad de Parma, así como con Neil Ashcroft y el premio Nobel Roald Hoffmann, ambos de la Universidad de Cornell.
Lea el artículo «Exprimir todos los elementos de la tabla periódica: configuración de electrones y electronegatividad de los átomos comprimidos» en el Journal of the American Chemistry Society.
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