恒星见解：钠的高压转变如何重新定义天体物理学

科学家们揭示了这种元素的电子在地壳以下的压力下是如何化学结合的。

在地球表面以下或太阳中心内部足够深的地方行进，物质在原子水平上发生变化。

恒星和行星内的压力越来越大，会导致金属成为不导电的绝缘体。钠已被证明，当用力挤压时，钠会从闪亮的灰色金属转变为透明的玻璃状绝缘体。

对高压现象的新见解

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。

虽然理论上认为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，并且彼此化学键合。

布法罗大学领导的一项研究分析了钠在高压下从闪亮金属转变为透明绝缘体背后的化学结合。

对理解天体的意义

“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的行为可能会深入了解更宏观的问题，”UB艺术与科学学院化学教授Eva Zurek博士说，该研究的合著者发表在Angewandte Chemie上。 德国化学学会期刊。

“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？这种类型的研究使我们更接近于回答这些问题，“Zurek继续说道。

挑战既有理论

该研究证实并建立在已故著名物理学家尼尔·阿什克罗夫特（Neil Ashcroft）的理论预测之上，该研究致力于纪念他。

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，如钠，在挤压时实际上可以成为绝缘体或半导体。他们推测，钠的核心电子被认为是惰性的，在极端压力下会相互相互作用，并与外价电子相互作用。

“我们的工作现在超越了Ashcroft和Neaton描绘的物理学图景，将其与键合的化学概念联系起来，”UB领导的研究的主要作者，UB化学系博士后研究员Stefano Racioppi博士说。

高压环境中的电子行为

在地壳下发现的压力很难在实验室中复制，因此使用UB计算研究中心的超级计算机，该团队计算了电子在高压下在钠原子中的行为。

电子被困在原子之间的空间区域内，称为电化物态。这导致钠从闪亮的金属到透明绝缘体的物理转变，因为自由流动的电子吸收并重新传输光，但捕获的电子只是让光通过。

化学键解释电化物态的出现

然而，研究人员的计算首次表明，电化物态的出现可以通过化学键来解释。

高压使电子在其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，导致间隙区域的局部电荷浓度。

虽然以前的研究提供了一个直观的理论，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，电子在化学键中的原子之间共享，“Racioppi说。“他们很特别。”

“显然，很难进行复制木星深层大气层内条件的实验，”祖雷克说，“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。