2

Bilder

Fascinerande kemiska strukturer och egenskaper uppkommer under högt tryck, och reaktioner sker som är omöjliga under normala förhållanden. I tryckdimensionen finns många nya kombinationer av atomer att undersöka. Illustration: Yen Strandqvist/Chalmers

Av Lisa von Garrelts den 23 augusti 2019 12:36

Det 150-åriga periodiska systemet får en ny dimension när Martin Rahm, forskarassistent inom kemi på Chalmers, presenterar resultaten från den studie som han har lett.

Studien kartlägger hur grundämnenas elektronegativitet och elektronkonfiguration förändras under tryck. Resultaten ger forskare en helt ny verktygslåda att utgå ifrån. Framför allt innebär resultaten att det blir möjligt att göra snabba förutsägelser om hur ett visst ämne kommer att bete sig under olika tryck, utan experimentella tester eller resurskrävande kvantmekaniska beräkningar.

– Idag behövs mycket tid och resurser läggas både på experiment och kvantmekaniska beräkningar för att söka efter intressanta föreningar som kan bildas under höga tryck. På grund av detta har bara en bråkdel av alla möjliga föreningar kartlagts. Vår artikel är en guide som hjälper till att ta reda på var vi ska söka och vilka föreningar vi kan förvänta oss när material utsätts för höga tryck, säger Martin Rahm, forskarassistent inom kemi på Chalmers, som lett studien.

När atomer utsätts för höga tryck förändras deras egenskaper radikalt. Studien, som publicerats i den vetenskapliga tidskriften Journal of American Chemical Society, visar hur atomernas elektronkonfiguration och elektronegativitet förändras när trycket succesivt stiger. Elektronkonfigurationen är själva grundbulten i det periodiska systemet och bestämmer vilken grupp i systemet de olika atomerna tillhör. Elektronegativiteten är också ett centralt koncept inom kemivetenskap och kan ses som en tredje dimension av det periodiska systemet. Elektronegativitet ger en uppfattning om hur starkt olika atomer attraherar elektroner. Det är viktigt att ha kunskap om både elektronkonfiguration och elektronegativitet för att förstå hur atomer reagerar med varandra för att bilda olika material. Atomer som normalt inte går att kombinera kan vid höga tryck skapa aldrig tidigare skådade föreningar med unika egenskaper. Sådana material kan inspirera forskare att försöka tillverka dem under mer normala förhållanden, och ge oss ny insikt i hur vår värld fungerar.

– Väldigt fascinerande kemiska strukturer och egenskaper uppkommer under högt tryck, och reaktioner sker som är omöjliga under normala förhållanden. Mycket av det man som kemist har lärt sig om grundämnenas egenskaper stämmer inte längre. Man kan helt enkelt ta mycket av sin kemiutbildning och kasta ut den genom fönstret! I tryckdimensionen finns otroligt många nya kombinationer av atomer att undersöka, säger Martin Rahm.

Ett välkänt exempel på vad som kan ske under högre tryck är bildandet av diamant från grafit. Ett annat exempel är polymerisation av kvävgas, där kväveatomer tvingas bindas samman i ett nätverk. De två exemplen är helt olika varandra. Lättar man på trycket blir kolet kvar i en diamantkonfiguration medan kvävet återgår till gasform. Om man skulle lyckas bibehålla polymerstrukturen av kväve även vid normaltryck skulle detta utan tvekan var den mest energirika kemiska föreningen på jorden.

Flertalet forskargrupper använder idag höga tryck för att skapa supraledare, material som kan leda ström utan motstånd. Några av dessa högtryckssupraledare fungerar nära rumstemperatur. Skulle ett sådant material även fungerar vid normala tryck skulle det vara revolutionerande för till exempel förlustfri kraftöverföring och billigare magnetisk levitation.

– Främst ger vår studie spännande möjligheter till att föreslå nya experiment som kan förbättra vår förståelse av grundämnena. Även om många material som skapas i sådana experiment visar sig vara instabila vid normala tryck ger de oss ändå insikt i vilka egenskaper och fenomen som är möjliga. Stegen därefter blir att hitta andra vägar för att nå samma resultat, säger Martin Rahm.

Artikeln ”Squeezing All Elements in the Periodic Table: Electron Configuration and Electronegativity of the Atoms under Compression” har publicerats i the Journal of the American Chemistry Society.