Tabela Periódica é reescrita para altas pressões

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/08/2019

Lidar com a dimensão da pressão tem sido o caminho usado há anos para descobrir novos elementos da Tabela Periódica. Agora tudo ficou mais fácil.
[Imagem: Yen Strandqvist/Chalmers]

Configuração eletrônica e eletronegatividade

A Tabela Periódica tem sido uma ferramenta vital para a pesquisa de materiais desde que foi criada, há 150 anos.

Agora, Martin Rahm, da Universidade Chalmers de Technologia, na Suécia, juntamente com colegas da Itália e dos EUA, apresentaram uma dimensão inteiramente nova para a Tabela, oferecendo um novo conjunto de primeiros princípios para a pesquisa de novos materiais e a compreensão dos materiais já conhecidos.

O trabalho consiste no mapeamento de como a eletronegatividade e a configuração eletrônica dos elementos químicos mudam sob pressão, o que oferece aos pesquisadores um conjunto inteiramente novo de ferramentas.

Essencialmente, isso significa que a partir de agora será possível fazer previsões rápidas sobre como um determinado elemento se comportará sob diferentes pressões, sem precisar fazer testes experimentais ou cálculos computacionais quânticos muito demorados.

"Atualmente, procurar por compostos interessantes que aparecem em alta pressão requer um grande investimento de tempo e recursos, tanto computacionalmente como experimentalmente. Como consequência, apenas uma pequena fração de todos os compostos possíveis foi investigada. O trabalho que estamos apresentando pode funcionar como um guia para ajudar a explicar o que procurar e quais compostos esperar quando os materiais são colocados sob alta pressão," detalhou Rahm.

Na dimensão da pressão, há um número inacreditável de novas combinações de átomos para investigar.
[Imagem: ACS]

Elementos de alta pressão

Em altas pressões, as propriedades dos materiais podem mudar radicalmente, à medida que os átomos e as moléculas se aproximam e assumem diferentes estruturas atômicas e eletrônicas. Uma consequência disso é que materiais que normalmente são semicondutores ou isolantes sob condições ambiente podem se transformar em metais.

O novo "mapa da pressão" mostra como a configuração eletrônica e a eletronegatividade dos átomos mudam conforme a pressão aumenta. A configuração eletrônica é fundamental para a estrutura da Tabela Periódica, determinando a qual grupo cada elemento pertence. A eletronegatividade também é um conceito central para a química e pode ser vista como uma terceira dimensão da Tabela Periódica, indicando quão fortemente diferentes átomos atraem elétrons. Juntas, a configuração eletrônica e a eletronegatividade são importantes para entender como os átomos reagem uns com os outros para formar substâncias diferentes.

Em altas pressões, átomos que normalmente não se combinam podem criar compostos novos, nunca antes vistos, com propriedades únicas. Tais materiais podem inspirar os pesquisadores a tentar outros métodos para criá-los em condições mais normais.

Um exemplo bem conhecido do que pode acontecer sob alta pressão é como os diamantes podem ser formados a partir do grafite. Outro exemplo menos conhecido, mas extremamente promissor, é a polimerização do gás nitrogênio, onde os átomos de nitrogênio são forçados a se unirem em uma rede tridimensional. Estes dois materiais de alta pressão são muito diferentes um do outro: Enquanto o carbono mantém sua estrutura de diamante sob condições ambiente, o nitrogênio polimerizado é instável e reverte para a forma de gás quando a pressão é retirada. Se a estrutura polimérica do nitrogênio pudesse ser mantida em pressões normais, seria sem dúvida o composto químico mais denso em energia da Terra.

"Sob alta pressão, emergem estruturas químicas extremamente fascinantes com qualidades incomuns, e reações que são impossíveis sob condições normais podem ocorrer. Muito do que nós, como químicos, sabemos sobre as propriedades dos elementos sob condições ambientais simplesmente não se mantém mais verdadeiro. Você pode basicamente tirar uma porção do que aprendeu de química e jogar pela janela! Na dimensão da pressão, há um número inacreditável de novas combinações de átomos para investigar," disse Martin Rahm.

E, do ponto de vista do Universo, ou mesmo do Sistema Solar, a pressão a que estamos acostumados na superfície Terra é algo bastante incomum, o que abre perspectivas de estudos em outras áreas além da química. "Além de facilitar a síntese de materiais de alta pressão na Terra, nosso trabalho também permite uma melhor compreensão dos processos que ocorrem em outros planetas e luas. Por exemplo, no maior mar do Sistema Solar, muitos quilômetros sob a superfície da lua Ganimede, de Júpiter, ou dentro dos planetas gigantes, onde a pressão é enorme," acrescentou Rahm.

A Tabela Periódica da Pressão dos Elementos mantém a estrutura tradicional, mas as informações são novas e inéditas.
[Imagem: Rahm et al. - 10.1021/jacs.9b02634]

Simulação da pressão

O trabalho foi feito usando um modelo matemático, no qual cada átomo foi colocado no meio de uma cavidade esférica. O efeito do aumento da pressão foi simulado através da redução gradual do volume da esfera. As propriedades físicas dos átomos em diferentes estágios de compressão puderam então ser calculadas usando as equações da mecânica quântica.

O mapa faz uma previsão de como a natureza de 93 dos 118 elementos da Tabela Periódica muda à medida que a pressão aumenta de 0 pascal até 300 gigapascals (GPa) - 1 GPa é cerca de 10.000 vezes a pressão da superfície da Terra, e 360 GPa corresponde à pressão encontrada perto do núcleo da Terra.

Vários laboratórios ao redor do mundo já possuem a tecnologia para recriar essas pressões, por exemplo, usando bigornas de diamante ou experimentos de ondas de choque, o que permitirá aferir experimentalmente essa nova dimensão da pressão da Tabela Periódica.

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