Reescrevendo a tabela periódica a alta pressão

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 – A tabela periódica tem sido uma ferramenta vital para a pesquisa de materiais desde que foi criada há 150 anos. Agora, Martin Rahm da Chalmers University of Technology apresenta um novo artigo que acrescenta uma dimensão totalmente nova à tabela, oferecendo um novo conjunto de princípios para a pesquisa de materiais. O artigo é publicado no Journal of the American Chemical Society.

Courtesy Chalmers University: O estudo da tabela periódica, mapeia como a eletronegatividade e a configuração eletrônica dos elementos mudam sob pressão. Essas descobertas oferecem aos pesquisadores de materiais um conjunto totalmente novo de ferramentas. Primeiramente, isso significa que agora é possível fazer previsões rápidas sobre como certos elementos se comportarão em diferentes pressões, sem requerer testes experimentais ou cálculos computacionais quânticos computacionalmente caros.

“Atualmente, procurar por compostos interessantes que aparecem em alta pressão requer um grande investimento de tempo e recursos, tanto computacionalmente quanto experimentalmente. Como conseqüência, apenas uma pequena fração de todos os compostos possíveis foi investigada. O trabalho que estamos apresentando pode atuar como um guia para ajudar a explicar o que procurar e quais compostos esperar quando os materiais são colocados sob alta pressão ”, diz Martin Rahm, professor assistente de Química da Chalmers, que liderou o estudo.

Em altas pressões, as propriedades dos átomos podem mudar radicalmente. O novo estudo mostra como a configuração eletrônica e a eletronegatividade dos átomos mudam conforme a pressão aumenta. A configuração eletrônica é fundamental para a estrutura da tabela periódica. Ele determina em qual grupo no sistema diferentes elementos pertencem. A eletronegatividade também é um conceito central para a química e pode ser vista como uma terceira dimensão da tabela periódica. Indica quão fortemente diferentes átomos atraem elétrons. Juntos, a configuração eletrônica e a eletronegatividade são importantes para entender como os átomos reagem uns com os outros para formar substâncias diferentes. A alta pressão, átomos que normalmente não se combinam podem criar compostos novos, nunca antes vistos, com propriedades únicas. Tais materiais podem inspirar os pesquisadores a tentar outros métodos para criá-los em condições mais normais e nos dar uma nova visão de como o mundo funciona.

“Em alta pressão, estruturas químicas extremamente fascinantes com qualidades incomuns podem surgir, e reações que são impossíveis sob condições normais podem ocorrer. Muito do que nós, como químicos, sabemos sobre as propriedades dos elementos sob condições ambientais simplesmente não é mais verdadeiro. Você pode basicamente ter um monte de sua educação química e jogá-lo pela janela! Na dimensão da pressão, há um número inacreditável de novas combinações de átomos para investigar ”, diz Martin Rahm.

Um exemplo bem conhecido do que pode acontecer com alta pressão é como os diamantes podem ser formados a partir do grafite. Outro exemplo é a polimerização do gás nitrogênio, onde os átomos de nitrogênio são forçados a se unirem em uma rede tridimensional. Estes dois materiais de alta pressão são muito diferentes uns dos outros. Enquanto o carbono mantém sua estrutura de diamante, o nitrogênio polimerizado é instável e reverte para a forma de gás quando a pressão é liberada. Se a estrutura polimérica do nitrogênio pudesse ser mantida em pressões normais, seria sem dúvida o composto químico mais denso em energia da Terra.

Atualmente, vários grupos de pesquisa usam altas pressões para criar supercondutores – materiais que podem conduzir eletricidade sem resistência. Alguns desses supercondutores de alta pressão funcionam próximos à temperatura ambiente. Se tal material pudesse funcionar sob pressão normal, seria revolucionário, permitindo, por exemplo, a transferência de energia sem perdas e a levitação magnética mais barata.

“Em primeiro lugar, nosso estudo oferece possibilidades interessantes para sugerir novos experimentos que podem melhorar nossa compreensão dos elementos. Mesmo que muitos materiais resultantes de tais experimentos se mostrem instáveis ​​a pressão normal, eles podem nos fornecer insights sobre quais propriedades e fenômenos são possíveis. As etapas a seguir serão para encontrar outras maneiras de alcançar os mesmos resultados ”, diz Martin Rahm.

Pesquisa de alta pressão:

A pesquisa previu teoricamente como a natureza de 93 dos 118 elementos da tabela periódica muda à medida que a pressão aumenta de 0 pascal até 300 gigapascals (GPa). 1 GPa é cerca de 10.000 vezes a pressão da superfície da Terra. 360 GPa corresponde à pressão extremamente alta encontrada perto do núcleo da Terra. A tecnologia para recriar essa pressão existe em diferentes laboratórios, por exemplo, usando células de bigorna de diamante ou experimentos de choque.

“A pressão a que estamos acostumados na superfície da Terra é na verdade bastante incomum, vista de uma perspectiva maior. Além de facilitar a síntese de materiais de alta pressão na Terra, nosso trabalho também pode permitir uma melhor compreensão dos processos que ocorrem em outros planetas e luas. Por exemplo, no maior mar do sistema solar, muitos quilômetros abaixo da superfície da lua de Júpiter, Ganimedes. Ou dentro dos planetas gigantes, onde a pressão é enorme ”, diz Martin Rahm.

O trabalho foi feito usando um modelo matemático, no qual cada átomo foi colocado no meio de uma cavidade esférica. O efeito do aumento da pressão foi simulado através da redução gradual do volume da esfera. As propriedades físicas dos átomos em diferentes estágios de compressão poderiam ser calculadas usando a mecânica quântica.

Mais Informações:

Em alta pressão, átomos e moléculas se aproximam e assumem diferentes estruturas atômicas e eletrônicas. Uma conseqüência disso é que materiais que normalmente são semicondutores ou isoladores podem se transformar em metais.

Apenas alguns materiais que se formam em alta pressão mantêm sua estrutura e propriedades quando retornados à pressão ambiente.

A pesquisa foi feita em conjunto com os colegas Roberto Cammi, da Universidade de Parma, assim como Neil Ashcroft e o ganhador do prêmio Nobel, Roald Hoffmann, ambos da Universidade de Cornell.

Leia o artigo “Espremendo Todos os Elementos da Tabela Periódica: Configuração Eletrônica e Eletronegatividade dos Átomos sob Compressão” no Journal of the American Chemistry Society.