La transformation à haute pression du sodium peut nous renseigner sur l'intérieur des étoiles et des planètes

Voyagez suffisamment profondément sous la surface de la Terre ou à l’intérieur du centre du soleil et la matière change au niveau atomique.

La pression croissante à l’intérieur des étoiles et des planètes peut faire en sorte que les métaux deviennent des isolants non conducteurs. Il a été démontré que le sodium se transforme d'un métal brillant de couleur grise en un isolant transparent semblable à du verre lorsqu'il est pressé suffisamment fort.

Aujourd’hui, une étude menée par l’Université de Buffalo a révélé la liaison chimique à l’origine de ce phénomène particulier de haute pression.

Bien qu'il ait été théorisé que la haute pression expulse essentiellement les électrons du sodium dans les espaces entre les atomes, les calculs de chimie quantique des chercheurs montrent que ces électrons appartiennent toujours en grande partie aux atomes environnants et sont chimiquement liés les uns aux autres.

“Nous répondons à une question très simple : pourquoi le sodium devient un isolant, mais prédire comment d'autres éléments et composés chimiques se comportent à des pressions très élevées pourrait potentiellement donner un aperçu de questions plus vastes”, explique Eva Zurek, Ph.D., professeur. de chimie au Collège des Arts et des Sciences de l'UB et co-auteur de l'étude, publiée dans Chimie modifiée, un journal de la Société chimique allemande. “À quoi ressemble l'intérieur d'une étoile ? Comment les champs magnétiques des planètes sont-ils générés, s'il en existe ? Et comment les étoiles et les planètes évoluent-elles ? Ce type de recherche nous rapproche de la réponse à ces questions.”

L’étude confirme et s’appuie sur les prédictions théoriques du regretté physicien Neil Ashcroft, dont l’étude est dédiée à la mémoire.

On pensait autrefois que les matériaux devenaient toujours métalliques sous haute pression – comme l'hydrogène métallique supposé constituer le noyau de Jupiter – mais l'article fondateur d'Ashcroft et Jeffrey Neaton il y a vingt ans a découvert que certains matériaux, comme le sodium, peuvent en fait devenir des isolants ou des semi-conducteurs lorsqu'ils sont pressés. Ils ont émis l'hypothèse que les électrons du noyau du sodium, considérés comme inertes, interagiraient entre eux et avec les électrons de valence externes lorsqu'ils seraient soumis à une pression extrême.

“Notre travail va désormais au-delà du tableau de la physique peint par Ashcroft et Neaton, en le reliant aux concepts chimiques de liaison”, déclare l'auteur principal de l'étude dirigée par l'UB, Stefano Racioppi, Ph.D., chercheur postdoctoral au département de chimie de l'UB. .

Les pressions trouvées sous la croûte terrestre peuvent être difficiles à reproduire en laboratoire. C'est pourquoi, à l'aide de superordinateurs du Centre de recherche informatique de l'UB, l'équipe a effectué des calculs sur le comportement des électrons dans les atomes de sodium lorsqu'ils sont sous haute pression.

Les électrons sont piégés dans les régions interspatiales entre les atomes, connues sous le nom d’état d’électride. Cela provoque la transformation physique du sodium de métal brillant en isolant transparent, car les électrons libres absorbent et retransmettent la lumière, mais les électrons piégés laissent simplement passer la lumière.

Cependant, les calculs des chercheurs ont montré pour la première fois que l'émergence de l'état d'électride pouvait s'expliquer par des liaisons chimiques.

La haute pression amène les électrons à occuper de nouvelles orbitales au sein de leurs atomes respectifs. Ces orbitales se chevauchent ensuite pour former des liaisons chimiques, provoquant des concentrations de charges localisées dans les régions interstitielles.

Alors que des études antérieures proposaient une théorie intuitive selon laquelle la haute pression expulsait les électrons des atomes, les nouveaux calculs ont révélé que les électrons font toujours partie des atomes environnants.

“Nous avons réalisé que ce ne sont pas seulement des électrons isolés qui ont décidé de quitter les atomes. Au lieu de cela, les électrons sont partagés entre les atomes dans une liaison chimique”, explique Racioppi. “Ils sont assez spéciaux.”

Parmi les autres contributeurs figurent Malcolm McMahon et Christian Storm de l'École de physique et d'astronomie et du Centre pour la science dans des conditions extrêmes de l'Université d'Édimbourg.

Les travaux ont été soutenus par le Center for Matter at Atomic Pressure, un centre de la National Science Foundation dirigé par l'Université de Rochester qui étudie comment la pression à l'intérieur des étoiles et des planètes peut réorganiser la structure atomique des matériaux.

“De toute évidence, il est difficile de mener des expériences qui reproduisent, par exemple, les conditions régnant dans les couches atmosphériques profondes de Jupiter”, explique Zurek, “mais nous pouvons utiliser des calculs et, dans certains cas, des lasers de haute technologie, pour simuler ce type de conditions. “.