I en Chalmersledd studie har forskare sökt nya svar på frågan om hur en atoms storlek relaterar till dess andra egenskaper som elektronegativitet och energi. Deras resultat banar väg för viktiga genombrott inom framtida materialutveckling. För första gången har exakta ekvationer för det eftersökta sambandet kunnat härledas, under vissa förhållanden.

Illustration som visar hur kaliumatomers grundläggande egenskaper som radie, energi och elektronegativitet förändras när de komprimeras av omgivande neonatomer. Foto: Neuroncollective, Daniel Spacek, Pavel Travnicek

– Kunskap om atomernas storlek och deras egenskaper är viktigt för att rationalisera kemisk reaktivitet, struktur och egenskaper hos molekyler och material av alla slag. Det här är grundforskning som är nödvändig för att vi ska kunna göra de framtida stora genombrotten, säger Martin Rahm, artikelns huvudförfattare och forskningsledare på Chalmers.

Forskarna bakom studien, där även Paul Erhart från Chalmers institution för fysik och Roberto Cammi från universitet i Parma ingår, har tidigare arbetat med kvantmekaniska beräkningar för att visa hur egenskaper hos atomer väntas förändras under högt tryck. Resultaten har presenterats i vetenskapliga artiklar i Journal of the American Chemical Society och ChemPhysChem. I den nya studien, som publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Chemical Science, har de tagit nästa steg. Huvudfrågan som utforskats är sambandet mellan atomradie och elektronegativitet – en saknad koppling mellan styrandde kemiska mängder, som har diskuterats sedan 1950-talet.

Genom att studera hur kompression påverkar enstaka atomer har forskarna kunnat ta fram en uppsättning ekvationer som kan förklara hur förändringar i en egenskap, en atomstorlek, kan översättas och förstås som förändringar i både total energi och elektronegativitet. Härledningen har gjorts för speciella tryck då atomer kan ta någon av två väldefinierade energier, två radier och två elektronegativiteter.

– Detta uttryck kan till exempel hjälpa till att förklara hur ökandet av en atoms oxidationstillstånd även ökar dess elektronegativitet och vice versa vid reduktion.

En sporre i studien har varit att ge bättre förutsättningar och nya möjligheter för tillverkning av material under högt tryck. Trycket i mitten av jorden motsvarar hundratals gigapascal vilket också är tillgängligt i laboratorier nuförtiden. Exempel på områden där tryck används idag är för syntes av supraledare, material som kan leda ström utan motstånd, men forskarna ser många fler möjligheter framför sig.

– Tryck är en i stort sett outforskad dimension inom materialvetenskap, men intresset för att få fram nya fenomen, egenskaper och material genom att trycka på olika föreningar, växer sig allt större.

Den stora mängden av data som forskarna har insamlat har nu sammanfattats i en databas och gjorts tillgänglig som en användarvänlig webbapplikation. Utvecklandet av webbapplikationen har stötts av Chalmers styrkeområde för materialvetenskap och möjliggjorts genom ett samarbete med Paul Erharts grupp på Institutionen för Fysik.

I databasen kan användaren nu enkelt utforska hur det periodiska systemet ser ut vid olika tryck. I den aktuella vetenskapliga publikationen visar forskarna hur detta verktyg kan användas för att ge ny insikt i kemi med hjälp av några exempel. Egenskaperna hos järn och kisel, två vanliga element i jordskorpan, manteln och kärnan, jämförs och visar på stora skillnader.

– Databasen är något jag själv saknat under många år. Vår förhoppning är att den ska bli till stor hjälp och användas av kemister och materialforskare som studerar och arbetar med höga tryck. Vi har redan använt den för att styra teoretiska sökningar efter nya övergångsmetallfluorider.

Filed under: SvenskTeknik