Napędzane laserem fale uderzeniowe sięgające kilku milionów atmosfer rozbijają silne wiązanie potrójne cząsteczek azotu /Fot. LLNL

Naukowcy rozbijają laserami najsilniejsze wiązania chemiczne w przyrodzie

Niektóre wiązania chemiczne potrafią być naprawdę trwałe. Znaleziono sposób, jak je rozbijać, co może przydać się nam nie tylko w chemii.

W naukach ścisłych bardziej pożądana jest synteza nowych wiązań chemicznych, niż rozbijanie już istniejących. Ale nie zawsze. Reakcje rozpadu mają znaczenie w kontekście naszego rozumienia praw przyrody. Naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) zyskali bardzo precyzyjne dane dotyczące zachowania gęstego azotu w ekstremalnych warunkach, co może przyczynić się do lepszego poznania wnętrz egzoplanet i białych karłów. Szczegóły opisano w Physical Review Letters.

Rozbijanie wiązań atomowych

Azot cząsteczkowy (N2) stanowi ok. 78% powietrza, którym oddychamy. Dwa atomy azotu są połączone potrójnym wiązaniem kowalencyjnym, najsilniejszym występującym w prostych, dwuatomowych cząsteczkach.

Azot jest również kluczowym składnikiem ciał niebieskich w zewnętrznym Układzie Słonecznym i poza nim. Astronomowie uważają, że burze amoniakalne (NH3) występują na olbrzymich planetach, takich jak Jowisz, podczas gdy planeta karłowata Pluton, lodowy księżyc Saturna Tytan i lodowy księżyc Neptuna Tryton mają atmosfery bogate w N2.

Czytaj też: Ten proces jest skuteczniejszy niż fotosynteza. Naukowcy mają sposób na przekształcanie CO2

Uczeni z LLNL przeprowadzili eksperymenty wstrząsowe na wstępnie skompresowanym molekularnym płynie azotowym pod ciśnieniem do 800 GPa. Odnotowali wyraźne oznaki zakończenia dysocjacji molekularnej w pobliżu 70-100 GPa i 5-10 kK oraz początek jonizacji dla najbardziej zewnętrznych elektronów powyżej 400 GPa i 50 kK. Co to właściwie oznacza?

To ekscytujące, że możemy użyć fal uderzeniowych do rozbicia tych cząsteczek i zrozumieć, jak ciśnienie i gęstość wywołują zmiany w wiązaniach chemicznych. Badanie, jak rozbijać cząsteczki azotu i jak uwalniać elektrony, to świetny test dla najbardziej zaawansowanych symulacji komputerowych i modelowania teoretycznego. Azot i wodór są lekkimi cząsteczkami dwuatomowymi, ale atomy wodoru są tak małe, że odtworzenie ich zachowania w warunkach ekstremalnego ciśnienia i temperatury za pomocą symulacji komputerowych jest bardzo skomplikowane.Yong-Jae Kim, fizyk LLNL i główny autor pracy

Nowe badania rozwiązały zagadkową rozbieżność pomiędzy wcześniejszymi eksperymentami na ciepłym gęstym azocie a przewidywaniami opartymi na wynikach symulacji teorii funkcjonału gęstości (DFT).

Wykazaliśmy, że teoria funkcjonałów gęstości bardzo dobrze opisuje nasze eksperymenty. To bardzo rygorystyczny i użyteczny test.Yong-Jae Kim

Badania są częścią projektu Laboratory Directed Research and Development (LDRD), którego celem jest opracowanie nowych technik eksperymentalnych dynamicznej kompresji z użyciem lasera, z wykorzystaniem komór diamentowych (DAC). Techniki te pozwolą odkryć nowe zjawiska fizyki i chemii w mieszaninach o niskiej liczbie atomowej, takich jak te bogate w wodę – w szerokim zakresie niespotykanych dotąd warunków ciśnienia, temperatury i gęstości. Badania te mają wpływ na formowanie się i ewolucję planet oraz umożliwiają poznanie właściwości materii w ekstremalnych warunkach.

Jest jeszcze wiele rzeczy, których możemy się dowiedzieć z tego rodzaju eksperymentów dynamicznej kompresji laserowej. Jest to bardzo ekscytująca dziedzina, w której istnieje wiele możliwości opracowania innowacyjnych pomiarów i poznania reakcji materii na ekstremalne warunki. Ma to kluczowe znaczenie dla interpretacji obserwacji astronomicznych i lepszego zrozumienia powstawania i ewolucji obiektów niebieskich, takich jak białe karły i egzoplanety.Marius Millot z LLNL i główny autor pracy