La pression extrême dévoile une nouvelle facette du sodium

Si nous avions la possibilité de plonger dans les profondeurs de la Terre ou même au cœur du Soleil, nous découvririons qu’à cause de la pression extrême, la matière se transforme à un niveau atomique. Une étude récente apporte un nouvel éclairage sur ce phénomène.

En effet, la pression intense qui règne à l’intérieur des étoiles et des planètes a la capacité de transformer les métaux en isolants non conducteurs. Il a été démontré que le sodium, par exemple, passe d’un métal gris brillant à un isolant transparent semblable à du verre lorsqu’il est soumis à une pression suffisamment forte.

Ce phénomène de haute pression a longtemps été attribué à une expulsion des électrons du sodium dans les espaces interatomiques. Les calculs chimiques quantiques des chercheurs montrent que ces électrons appartiennent toujours aux atomes environnants et sont chimiquement liés entre eux.

Une étude révélatrice

L’étude, dirigée par l’Université de Buffalo, a révélé la liaison chimique derrière ce phénomène de haute pression.

« Nous répondons à une question très simple : pourquoi le sodium devient-il un isolant ? Mais prédire comment d’autres éléments et composés chimiques se comportent à très haute pression pourrait nous donner un aperçu de questions plus larges », commente Eva Zurek, professeure de chimie à l’UB College of Arts and Sciences et co-auteure de l’étude.

L’étude confirme et développe les prédictions théoriques du physicien Neil Ashcroft, à qui l’étude est dédiée. Il était autrefois pensé que les matériaux deviennent toujours métalliques sous haute pression, mais les chercheurs ont découvert que certains matériaux, comme le sodium, peuvent en fait devenir des isolants ou des semi-conducteurs lorsqu’ils sont comprimés.

Au-delà de la physique

« Notre travail va au-delà de la physique décrite par Ashcroft et Neaton, en la reliant avec des concepts chimiques de liaison », ajoute l’auteur principal de l’étude, Stefano Racioppi, chercheur postdoctoral au département de chimie de l’UB.

Les pressions trouvées sous la croûte terrestre peuvent être difficiles à reproduire en laboratoire, donc l’équipe a utilisé des supercalculateurs pour simuler le comportement des électrons dans les atomes de sodium sous haute pression.

La découverte de l’état électride

Les électrons deviennent piégés dans les régions interatomiques, connues sous le nom d’état électride. Cela provoque la transformation physique du sodium de métal brillant à isolant transparent, car les électrons libres absorbent et retransmettent la lumière, tandis que les électrons piégés laissent simplement la lumière passer.

Les calculs des chercheurs ont montré pour la première fois que l’émergence de l’état électride peut être expliquée par la liaison chimique. La haute pression fait occuper aux électrons de nouveaux orbitaux au sein de leurs atomes respectifs. Ces orbitaux se chevauchent alors pour former des liaisons chimiques, provoquant des concentrations de charge localisées dans les régions interstitielles.

« Il est évidemment difficile de mener des expériences qui reproduisent, par exemple, les conditions qui règnent dans les couches atmosphériques profondes de Jupiter », explique pour conclure Eva Zurek, « mais nous pouvons utiliser des calculs et, dans certains cas, des lasers de haute technologie, pour simuler ce type de conditions »

En synthèse

Cette étude apporte une nouvelle compréhension de la manière dont la matière se transforme sous pression extrême. Elle ouvre le chemin à de nouvelles recherches sur le comportement des éléments et des composés chimiques à haute pression, avec des implications potentielles pour notre compréhension des étoiles, des planètes et de l’univers lui-même.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que l’état électride ?

L’état électride est un état dans lequel les électrons sont piégés dans les régions interatomiques.

Qu’est-ce qui provoque la transformation du sodium ?

La haute pression fait occuper aux électrons de nouveaux orbitaux au sein de leurs atomes respectifs, provoquant la transformation du sodium.

Quelle est l’importance de cette découverte ?

Cette découverte pourrait aider à prédire comment d’autres éléments et composés chimiques se comportent à très haute pression.

Qui a mené cette étude ?

L’étude a été menée par une équipe de l’Université de Buffalo, dirigée par Eva Zurek et Stefano Racioppi.

Quelles sont les implications de cette recherche ?

Les résultats de cette recherche pourraient avoir des implications pour notre compréhension des étoiles, des planètes et de l’univers lui-même.

Références

Article « On the Electride Nature of Na-hP4 » – DOI: 10.1002/anie.202310802

Légende : Une étude menée par l’université de Buffalo analyse la liaison chimique à l’origine de la transformation du sodium de métal brillant en isolant transparent sous haute pression. Photo : Dnn87