Le tableau périodique a été un outil fondamental pour la recherche sur les matériaux depuis sa création il y a 150 ans. Maintenant, Martin Rahm de Chalmers University of Technology présente un nouvel article qui ajoute une toute nouvelle dimension à la table, offrant un nouvel ensemble de principes pour la recherche matérielle. L'article est publié dans le Journal de l'American Chemical Society .

L'étude montre comment l'électronégativité et la configuration électronique des éléments changent sous la pression. Ces découvertes offrent aux chercheurs en matériaux un tout nouvel ensemble d'outils. Principalement, cela signifie qu'il est désormais possible de faire des prédictions rapides sur la façon dont certains éléments se comporteront à différentes pressions, sans nécessiter de tests expérimentaux ou de calculs de mécanique quantique coûteux en temps de calcul.

"Actuellement, la recherche de ces composés intéressants qui apparaissent à haute pression nécessite un investissement important en temps et en ressources, à la fois informatiquement et expérimentalement. En conséquence, seule une infime fraction de tous les composés possibles a été étudiée. Le travail que nous présentons peut servir de guide pour aider à expliquer ce qu'il faut rechercher et à quels composés s'attendre lorsque les matériaux sont placés sous haute pression, " dit Martin Rahm, Maître de Conférences en Chimie à Chalmers, qui a dirigé l'étude.

À haute pression, les propriétés des atomes peuvent changer radicalement. La nouvelle étude montre comment la configuration électronique et l'électronégativité des atomes changent à mesure que la pression augmente. La configuration électronique est fondamentale pour la structure du tableau périodique. Il détermine à quel groupe du système appartiennent les différents éléments. L'électronégativité est également un concept central de la chimie et peut être considérée comme une troisième dimension du tableau périodique. Il indique à quel point des atomes différents attirent les électrons. Ensemble, La configuration électronique et l'électronégativité sont importantes pour comprendre comment les atomes réagissent les uns avec les autres pour former différentes substances. A haute pression, des atomes qui normalement ne se combinent pas peuvent créer de nouveaux, jamais vu auparavant des composés avec des propriétés uniques. De tels matériaux peuvent inspirer les chercheurs à essayer d'autres méthodes pour les créer dans des conditions plus normales, et nous donner un nouvel aperçu du fonctionnement de notre monde.

"A haute pression, des structures chimiques extrêmement fascinantes aux qualités inhabituelles peuvent apparaître, et des réactions impossibles dans des conditions normales peuvent se produire. Une grande partie de ce que nous savons, en tant que chimistes, des propriétés des éléments dans des conditions ambiantes n'est tout simplement plus vraie. Vous pouvez essentiellement prendre une grande partie de votre formation en chimie et la jeter par la fenêtre ! Dans la dimension de la pression, il y a un nombre incroyable de nouvelles combinaisons d'atomes à étudier", déclare Martin Rahm.

Un exemple bien connu de ce qui peut arriver à haute pression est la façon dont les diamants peuvent être formés à partir de graphite. Un autre exemple est la polymérisation de l'azote gazeux, où les atomes d'azote sont forcés de se lier ensemble dans un réseau tridimensionnel. Ces deux matériaux haute pression sont très différents l'un de l'autre. Alors que le carbone conserve sa structure en diamant, l'azote polymérisé est instable et redevient gazeux lorsque la pression est relâchée. Si la structure polymère de l'azote pouvait être maintenue à des pressions normales, ce serait sans aucun doute le composé chimique le plus dense en énergie sur Terre.

Actuellement, plusieurs groupes de recherche utilisent des pressions élevées pour créer des supraconducteurs, des matériaux qui peuvent conduire l'électricité sans résistance. Certains de ces supraconducteurs à haute pression fonctionnent près de la température ambiante. Si un tel matériau pouvait fonctionner à une pression normale, ce serait révolutionnaire, permettre, par exemple, transfert de puissance sans perte et lévitation magnétique moins chère.

"Tout d'abord, notre étude offre des possibilités intéressantes pour suggérer de nouvelles expériences qui peuvent améliorer notre compréhension des éléments. Même si de nombreux matériaux résultant de telles expériences s'avèrent instables à pression normale, ils peuvent nous donner un aperçu des propriétés et des phénomènes possibles. Les étapes par la suite seront de trouver d'autres moyens d'atteindre les mêmes résultats, " dit Martin Rahm.

Recherche à haute pression

La recherche a théoriquement prédit comment la nature de 93 des 118 éléments du tableau périodique change à mesure que la pression augmente de 0 pascal à 300 gigapascals (GPa). 1 GPa est d'environ 10, 000 fois la pression de la surface de la Terre. 360 GPa correspond à la pression extrêmement élevée trouvée près du noyau de la Terre. La technologie pour recréer cette pression existe dans différents laboratoires, par exemple, en utilisant des cellules à enclume de diamant ou des expériences de choc.

"La pression à laquelle nous sommes habitués à la surface de la Terre est en fait assez rare, vu d'un point de vue plus large. En plus de faciliter la synthèse de matériaux à haute pression sur Terre, notre travail peut également permettre une meilleure compréhension des processus se produisant sur d'autres planètes et lunes. Par exemple, dans la plus grande mer du système solaire, à plusieurs kilomètres sous la surface de la lune de Jupiter Ganymède. Ou à l'intérieur des planètes géantes, où la pression est énorme, " dit Martin Rahm.

Le travail a été effectué à l'aide d'un modèle mathématique, dans lequel chaque atome était placé au milieu d'une cavité sphérique. L'effet de l'augmentation de la pression a été simulé par une réduction progressive du volume de la sphère. Les propriétés physiques des atomes à différents stades de compression pourraient alors être calculées à l'aide de la mécanique quantique.

A haute pression, les atomes et les molécules se rapprochent, et prendre différentes structures atomiques et électroniques. Une conséquence de ceci est que les matériaux qui sont généralement des semi-conducteurs ou des isolants peuvent se transformer en métaux.

Seuls certains matériaux qui se forment à haute pression conservent leur structure et leurs propriétés lorsqu'ils sont ramenés à la pression ambiante.