U dubinama naše planete i srca Sunca, materija prelazi granice znanstvene fantastike, transformirajući se na atomskoj razini u nešto što nalikuje scenama iz znanstveno-fantastičnih filmova. Znanstvenici Sveučilišta u Buffalu nedavno su otkrili tajanstveni svijet kemije pod ekstremnim pritiskom, gdje se obični metal natrij preobražava u nešto nezamislivo.

Natrij, metal poznat po svojoj sjajnoj sivoj boji, pod ogromnim pritiskom postaje proziran i gubi svojstva vodljivosti, pretvarajući se u izolator nalik staklu. Ovo otkriće nije samo neobično, već i izaziva tradicionalno razumijevanje kemije.

Istraživači pod vodstvom dr. Eve Zurek, profesorice kemije, koristili su kvantno-kemijske izračune za razotkrivanje misterija ovog fenomena. Suprotno teorijama koje sugeriraju da visoki tlak istiskuje elektrone između atoma, njihova otkrića pokazuju da elektroni i dalje ostaju povezani s atomima, stvarajući neočekivane kemijske veze.

Ovo istraživanje ne samo da odgovara na pitanje zašto natrij postaje izolator, već otvara vrata razumijevanju ponašanja drugih elemenata pod ekstremnim uvjetima. Kroz ova otkrića, znanstvenici se približavaju razumijevanju tajni unutrašnjosti zvijezda, nastanku magnetskih polja planeta i evoluciji svemirskih tijela. Ovaj rad, objavljen u uglednom časopisu Angewandte Chemie, ne samo da izaziva postojeće znanstvene paradigme, već postavlja temelje za buduća istraživanja koja bi mogla redefinirati naše razumijevanje univerzuma.

Istraživanje na Sveučilištu u Buffalu ne samo da izaziva znanstvene granice, već i odaje počast pokojnom velikanu fizike, Neilu Ashcroftu. Studija, posvećena njegovom sjećanju, potvrđuje i nadograđuje njegove revolucionarne teorijske ideje o ponašanju materijala pod visokim pritiskom.

Unatoč ranijem vjerovanju da materijali pod visokim pritiskom postaju metalni - poput teorije o metalnom vodiku u Jupiterovoj jezgri - rad Ashcrofta i Neatona iz prethodnog desetljeća iznio je iznenađujuće hipoteze. Otkrili su da određeni materijali, poput natrija, mogu postati izolatori ili poluvodiči kada su pod ekstremnim pritiskom. Oni su teoretizirali da bi elektroni u jezgri natrija, koji su se smatrali inertnima, mogli interaktivno djelovati s valentnim elektronima u takvim uvjetima.

Glavni autor studije, dr.sc. Stefano Racioppi s Odsjeka za kemiju UB-a, naglašava da njihovo istraživanje nadilazi fizikalne koncepte Ashcrofta i Neatona, povezujući ih s kemijskim principima vezanja. Ovo predstavlja značajan iskorak u razumijevanju interakcija elektrona pod ekstremnim uvjetima.

Zbog izazova repliciranja visokih pritisaka zemljine kore u laboratorijskim uvjetima, tim je koristio napredna superračunala u UB-ovom Centru za računalna istraživanja. Njihovi izračuni otkrili su da se elektroni u atomima natrija ponašaju neobično kada su izloženi ekstremnim pritiscima. Elektroni su se zarobili u međuprostorima između atoma, stvarajući novo 'električno stanje'.

Ova zarobljenost elektrona dovodi do dramatične fizičke transformacije natrija iz sjajnog metala u prozirni izolator. Za razliku od slobodnih elektrona koji apsorbiraju i prenose svjetlost, zarobljeni elektroni jednostavno propuštaju svjetlost kroz sebe, čime postaju prozirni. Ova otkrića ne samo da pružaju uvid u osnovne znanstvene principe, već i otvaraju vrata novim mogućnostima primjene u raznim znanstvenim i tehnološkim poljima.

Znanstvenici Sveučilišta u Buffalu postigli su novi proboj u razumijevanju kako visoki tlak utječe na kemijske veze, rušeći prethodne teorije i otvarajući novo poglavlje u svijetu materijala pod ekstremnim uvjetima.

Njihova istraživanja prvi put ilustriraju da se 'električno stanje' materijala pod visokim tlakom može objasniti kroz prizmu kemijskih veza. U ovom neobičnom stanju, visoki tlak uzrokuje da elektroni zauzmu nove orbitale unutar svojih atoma. Ove se orbitale preklapaju, stvarajući tako kemijske veze i uzrokujući lokalizirane koncentracije naboja.

Dr.sc. Stefano Racioppi naglašava da su elektroni, umjesto da se potpuno odvoje od atoma, zapravo dijeljeni između atoma u kemijskoj vezi. Ova nova spoznaja mijenja prethodno shvaćanje o izoliranim elektronima, otkrivajući njihovu ulogu u stvaranju iznimnih svojstava materijala pod pritiskom.

Istraživački tim, uključujući suradnike kao što su Malcolm McMahon i Christian Storm s Fakulteta fizike i astronomije Sveučilišta u Edinburghu, dobio je podršku od Center for Matter at Atomic Pressure, centra Nacionalne znanstvene zaklade. Ovaj centar, smješten na Sveučilištu u Rochesteru, usmjeren je na proučavanje kako pritisak unutar zvijezda i planeta preuređuje atomsku strukturu materijala.

Dr. Eva Zurek ističe izazove u provođenju eksperimenata koji repliciraju ekstremne uvjete, poput onih unutar atmosferskih slojeva Jupitera. No, kroz sofisticirane izračune i ponekad uporabu visokotehnoloških lasera, znanstvenici mogu simulirati ove uvjete, pružajući uvide u ponašanje materijala koje inače ne bi bilo moguće istražiti.

Ovo istraživanje ne samo da pomaže u razumijevanju temeljnih znanstvenih principa, već i otvara vrata novim aplikacijama u materijalnoj znanosti, astrofizici i drugim područjima, pružajući nove perspektive o svijetu oko nas i izvan njega.