Um artigo publicado recentemente por Martin Rahn e equipe, da Chalmers University of Technology, no Journal of the American Chemical Society, acrescenta uma dimensão totalmente nova à Tabela Periódica, que comemora em 2019 seu 150º aniversário. O estudo mostra como a eletronegatividade e a configuração eletrônica dos elementos mudam sob pressão. Essas descobertas oferecem aos pesquisadores de materiais um conjunto totalmente novo de ferramentas. Isso significa, segundo os pesquisadores, que agora é possível fazer previsões rápidas sobre como certos elementos se comportarão em diferentes pressões sem a necessidade de testes experimentais ou de cálculos computacionais quânticos caros.
O trabalho – que teve colaborações de Roberto Cammi, da Universidade de Parma, Neil Ashcroft e o ganhador do prêmio Nobel de 1981, Roald Hoffmann, ambos da Universidade de Cornell – 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 poderiam ser calculadas usando a mecânica quântica.
“Procurar por compostos que aparecem em alta pressão requer um grande investimento de tempo e recursos, tanto computacionalmente quanto experimentalmente. Como consequência, apenas uma pequena fração de todos os compostos possíveis foi investigada. O trabalho que estamos apresentando pode atuar como um guia para ajudar a explicar o que procurar e quais compostos esperar quando os materiais são colocados sob alta pressão”, diz Martin Rahm, professor assistente de Química da Chalmers.
As propriedades dos átomos podem mudar radicalmente quando colocados sob alta pressão. A configuração eletrônica é fundamental para a estrutura da Tabela Periódica. Ela determina em qual grupo no sistema diferentes elementos pertencem. A eletronegatividade também é um conceito central para a Química e pode ser vista como uma terceira dimensão da Tabela Periódica. Indica quão fortemente diferentes átomos atraem elétrons. Juntas, a configuração eletrônica e a eletronegatividade são importantes para entender como os átomos reagem entre si para formar diferentes substâncias. Sob alta pressão, átomos que normalmente não se combinam podem criar compostos novos, com propriedades únicas.
A pesquisa previu teoricamente como a natureza de 93 dos 118 elementos da Tabela Periódica muda à medida que a pressão aumenta de 0 pascal até 300 gigapascais (GPa). Um GPa é cerca de 10 mil vezes a pressão da superfície da Terra; 360 GPa correspondem à pressão extremamente alta encontrada perto do núcleo da Terra. A tecnologia para recriar essa pressão existente em diferentes laboratórios, por exemplo, usando células de bigorna de diamante (dispositivo que permite a compressão de uma pequena porção (submilímetro) de material a pressões extremas, que podem chegar a 770 gigapascais (o equivalente a 7,7 milhões de atmosferas), ou experimentos de choque.
“A pressão a que estamos acostumados na superfície da Terra é na verdade bastante incomum, vista de uma perspectiva maior. Além de facilitar a síntese de materiais de alta pressão na Terra, nosso trabalho também pode permitir 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 de Júpiter, Ganimedes. Ou dentro dos planetas gigantes, onde a pressão é enorme”, diz Martin Rahm.
Um exemplo bem conhecido do que pode acontecer com alta pressão é como os diamantes se formam a partir do grafite. Outro exemplo 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 uns dos outros. Enquanto o carbono mantém sua estrutura de diamante, o nitrogênio polimerizado é instável e reverte para a forma de gás quando a pressão é liberada. Se a estrutura polimérica do nitrogênio pudesse ser mantida em pressões normais, seria sem dúvida o composto químico mais denso em energia da Terra.
Atualmente, vários grupos de pesquisa usam altas pressões para criar supercondutores – materiais que podem conduzir eletricidade sem resistência. Alguns desses supercondutores de alta pressão funcionam próximos à temperatura ambiente. Se tal material pudesse funcionar sob pressão normal, seria revolucionário, permitindo, por exemplo, a transferência de energia sem perdas e a levitação magnética mais barata.
“Em primeiro lugar, nosso estudo oferece possibilidades para o surgimento de experimentos que podem melhorar nossa compreensão dos elementos. Mesmo que muitos materiais resultantes de tais experimentos se mostrem instáveis à pressão normal, eles podem nos fornecer insights sobre quais propriedades e fenômenos são possíveis. As etapas a seguir serão para encontrar outras maneiras de alcançar os mesmos resultados”, diz Martin Rahm.
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