Netikėtas molekulinio vandenilio elgesys esant dideliam slėgiui

Primary tabs

Didžiąją mums pažįstamos Visatos dalį sudaro vandenilio atomai, labai dažnai veikiami itin didelio slėgio – kartais dešimtis milijonų kartų viršijančio įprastinį atmosferos slėgį Žemėje. Pasak Tošijakio Itakos (Toshiaki Iitaka), dirbančio RIKEN Pažangiųjų mokslų institute (Japonija), jeigu pajėgsime pažinti tokioje ekstremalioje aplinkoje vykstančius fizikinius procesus, nekyla abejonių, jog kur kas geriau suprasime, kaip susiformuoja planetos arba kas lemia aukštatemperatūrį superlaidumą.

T. Itaka kartu su kolegomis iš Didelio našumo skaičiavimo instituto Singapūre bei Saskačevano universiteto Kanadoje visai neseniai atskleidė fizikinį pagrindą, kuriuo remiantis galima paaiškinti naujai atrastą vandenilio molekulių elgesį, pasireiškiantį didelio slėgio aplinkoje.

Šis elgesys buvo stebėtas tiek vandenilio molekulių kompleksuose, tiek vandenilio ir silicio junginiuose, vadinamuose silanais. Silanuose vandenilio atomai yra veikiamai vadinamojo cheminio slėgimo, susidarančio dėl to, kad vandenilio atomai suformuoja cheminį ryšį. 2009 m. fizikams pavyko išsiaiškinti, jog vandenilio molekulių virpesių dažnis silano – vandenilio kompleksuose imdavo slopti, kuomet buvo didinamas išorinis slėgis. Tokia antikoreliacija buvo visiška priešingybė ankstesniems smarkiai suslėgto vandenilio stebėjimams.

Taikydami molekulinės dinamikos metodus, T. Itaka su kolegomis sumodeliavo dominančią sistemą. Iš pradžių mokslininkai optimizavo vandenilio ir silano molekulių tarpusavio išsidėstymą elementariojo narvelio viduje. Skaičiavimai parodė, jog vandenilio molekulės yra linkusios užimti aštuonsienio (oktaedro) ir ketursienio (tetraedro) mazgų padėtis. Tada tyrėjai apskaičiavo vandenilio molekulių virpesių dažnius: paaiškėjo, jog vyksta didesnės ir mažesnės energijos svyravimai.

Mažesnės energijos svyravimų dažniai didinant išorinį slėgį mažėjo monotoniškai, tačiau didesnės energijos svyravimų dažniai didėjo iki pat 20.1 gigapaskalių atžymos, paskui galiausiai pradėjo slopti. Mokslininkams pavyko atkurti eksperimentiškai stebėtą antikoreliacijos reiškinį tarp virpesių dažnio ir išorinio slėgio, o tai patvirtino, jog taikytas modelis buvo tikslus.

Kompiuterinis modeliavimas taip pat atskleidė, kad dažnių didėjimą ir mažėjimą sukėlė vandenilio ir silano molekulių sąveikos. Šios sąveikos susidarė dėl vienos molekulės užpildytų elektronų orbitalių sanklodos su kitos molekulės tuščiomis orbitalėmis. Susidariusi sankloda stabilizuoja sistemą, o jos stiprumas priklauso nuo atstumo tarp molekulių. Atstumas savo ruožtu priklauso nuo išorinio slėgio dydžio.

Pasak T. Itakos, toks modeliavimas leidžia žvilgtelėti į egzotinę fiziką, visu gražumu pasireiškiančią didelio slėgio aplinkoje. „Mes parodėme, jog didelio slėgio pasaulyje egzistuoja dar daugybė neatrastos ir įdomios fizikos bei chemijos“.

Facebook komentarai: