منتشر شده در 04/04/2022
اصلاح شده در 05/04/2022
منتشر شده در 04/04/2022 – اصلاح شده در 05/04/2022
[در ویدئو] اتم اتم یک عنصر اساسی از واقعیت ما است، اما آیا واقعا آن را به خوبی می دانید؟
الکترونگاتیوی عناصر شیمیایی یکی از کلیدهای رفتار ماده است زیرا بر پیوندهای شیمیایی اتم ها در مولکول ها و کریستال ها تأثیر می گذارد. اولین نظریه توسط برنده جایزه نوبل لینوس پاولینگ و دیگران در طول دهه ها دنبال شده بود. آخرین   چندین سال است که توسط آرتم اوگانوف فیزیکدان و شیمیدان مشهور روسی و همکارانش ساخته شده است. این دیدگاه‌های جدیدی را به‌ویژه در سیاره‌شناسی، مانند منشأ آب در زمین، و همچنین برای ابررساناهای با دمای بالا باز می‌کند.
برای سال‌ها، Futura بازتاب کار آرتم اوگانوف، فیزیکدان، شیمی‌دان و کریستالوگراف روسی است که نام او اغلب در فیزیک و شیمی مواد فشار قوی مطرح شده است. مسیر حرکت او او را به چندین مرکز تحقیقاتی بسیار معتبر جهانی، از دانشگاه دولتی مسکو گرفته تا دانشگاه استونی بروک، دانشگاه کالج لندن و ETH در زوریخ رسانده است. او به روسیه بازگشت و پس از مدتی عضویت در مؤسسه اسطوره ای فیزیک و فناوری مسکو، کار خود را در چارچوب انستیتوی علم و فناوری Skolkovo (Skoltech) انجام داد که می توان آن را معادل روسی در نظر گرفت. MIT در ایالات متحده
Futura اخیراً در مورد یکی از جدیدترین مشارکت‌های خود صحبت کرد، و این مهم بود زیرا ممکن است معمای منشا آب در زمین را حل کند . هنوز در زمینه فیزیک فشار بالا که می تواند در آزمایشگاه با سلول های سندان الماس مورد مطالعه قرار گیرد، اما همچنین به لحاظ نظری با الگوریتم های کامپیوتری آموخته شده، آرتم اوگانوف و همکارانش هدایت شدند تا برخی از قوانین اساسی شیمی را که با کاوش در رفتار ماده در شرایط عادی
بنابراین Futura در مقاله قبلی در زیر توضیح داده بود که قبل از ادامه مطالعه این مقاله برای مطالعه به آن مراجعه می کنیم، که محقق روسی و همکارانش به اصلاح نظریه الکترونگاتیوی عناصر شیمیایی هدایت شده اند. در ابتدا توسط جایزه نوبل شیمی لینوس پاولینگ و به طور خاص توسط یک جایزه نوبل دیگر در شیمی: رابرت اس. مولیکن شناخته شد و توسعه یافت.
آرتم اوگانوف با همکاران چینی مقاله‌ای در ابتدای ماه مارس منتشر کرد که در آن خلاصه‌ای از تحقیقات او که مدت‌ها پیش دقیقاً در مورد الکترونگاتیوی عناصر در فشار بالا آغاز شده بود، می‌گیرد. مقاله مورد نظر دسترسی آزاد است و می توانید آن را در مجله معروف Proceedings of the National Academy of Sciences بیابید .
یک بیانیه مطبوعاتی طولانی از Skoltech در مورد این موضوع وجود دارد که می توانید بخوانید ، اما ما چند قسمت از آن را در اینجا ترجمه می کنیم تا از قبل ایده ای از محتوای آن ارائه دهیم.
یک الکترونگاتیوی جدید برای توصیف ماده و واکنش های شیمیایی آن در سیارات مورد نیاز است. © Skoltech، موسسه علم و فناوری Skolkovo
در بیانیه مطبوعاتی مورد بحث، آرتم اوگانوف مثال ساده‌ای ارائه می‌دهد که به درک این نکته کمک می‌کند که چرا مفهوم الکترونگاتیوی از آزمایش‌هایی که نشان می‌دهد واکنش‌های شیمیایی شامل انتقال و اشتراک بارهای الکتریکی بین عناصر است، معرفی شد: « یک قطعه مس را در یک قطعه قرار دهید. لیوان آب و اتفاق خاصی نمی افتد. با این حال، اگر یک تکه سدیم را در آب بیندازید، یک واکنش شیمیایی شدید رخ می دهد و حرارت کافی برای ذوب سدیم ایجاد می کند. دلیل این امر الکترونگاتیوی استثنایی کم سدیم است: بسیار مشتاق است که الکترون های خود را به نفع اتم های دیگر رها کند. در واقع، ما می‌توانیم از این مفهوم برای پیش‌بینی زمان و چگونگی واکنش‌های شیمیایی بین اتم‌ها و در نهایت مولکول‌ها استفاده کنیم، زیرا معیاری برای سنجش توانایی یک عنصر برای رها کردن یا گرفتن الکترون از عنصر دیگر است. همچنین، هر چه اختلاف الکترونگاتیوی بین دو عنصر بیشتر باشد، واکنش شیمیایی شدیدتر می تواند رخ دهد.
مشخص است که این خواص شیمیایی به ساختار پوسته های الکترونیکی اطراف هسته عناصر بستگی دارد. می‌توان این پوسته‌ها و رفتار الکترون‌ها را با استفاده از قوانین مکانیک کوانتومی (مثلاً با نظریه تابعی چگالی که منشأ آن در مدل توماس-فرمی است) مدل‌سازی کرد. می‌توانیم آن‌ها را روی رایانه قرار دهیم تا با محاسبات پیش‌بینی کنیم که وقتی اتم‌ها مجبور شوند با فشرده‌سازی نمونه‌ای از ماده بسیار به یکدیگر نزدیک شوند، چه اتفاقی خواهد افتاد. ما همچنین می‌توانیم آزمایش‌هایی را برای تأیید نتایج این محاسبات انجام دهیم و دقیقاً چندین پیش‌بینی موفقیت‌آمیز با اجرای الگوریتمی به نام Uspex ( Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography ) روی رایانه انجام شده است. ما در ابتدا آن را مدیون آرتم اوگانوف هستیم و بیش از 7000 محقق در جهان از آن استفاده می‌کنند و این امکان را فراهم می‌کند که به طور پیروزمندانه (در روسی uspekh به معنی موفقیت) نه تنها ساختار بلوری را پیش‌بینی کنیم که اتم‌ها ماده‌ای از ترکیب اولیه را تشکیل می‌دهند. ماده شیمیایی در شرایط مختلف فشار و دما، اما همچنین ظاهر شدن خواص جدید و عجیب و غریب ماده در فشار بالا.
همانطور که آرتم اوگانوف در بیانیه مطبوعاتی Skoltech به یاد می آورد: " ما چیزهای زیادی در مورد نحوه رفتار مواد تحت فشار اتمسفر می دانیم، اما اگر به آن فکر کنید، این اصلاً یک وضعیت معمولی نیست. بیشتر مواد زمین و سیارات دیگر تحت فشارهای بسیار زیاد وجود دارند – برای مثال، نزدیک به 4 میلیون اتمسفر در مرکز زمین. »
از جمله نوآوری های شیمی و فیزیک فشار بالا، همین بیانیه مطبوعاتی به چندین مورد اشاره می کند که در اینجا به چند نمونه اشاره می کنیم که تقریباً کلمه به کلمه در ترجمه آنها را بازتولید می کنیم:
آرتم اوگانف و همکارانش با اصلاح توصیف الکترونگاتیوی و همچنین مفهوم سختی شیمیایی که در ابتدا توسط رالف گوتفرید پیرسون توسعه داده شد، موفق شدند ظاهر این پدیده های جدید را توضیح دهند و دیدگاه های جدیدی را برای زمین شناسی ، سیاره شناسی و سیاره شناسی بگشایند. سایر علوم
برای بازسازی شرایط حاکم در اعماق سیارات و به طور کلی برای مطالعه رفتار ماده در فشار بالا، می توان نمونه هایی را بین نوک دو الماس قرار داد. سپس الماس ها به هم فشرده می شوند تا فشار بسیار بالایی را که برای آزمایش ها لازم است ایجاد کنند. یک پرتو لیزر مادون قرمز سپس می تواند نمونه را تا 1000 درجه سانتیگراد و بیشتر گرم کند. با کلیک کردن روی مستطیل سفید در پایین سمت راست، سپس روی مهره، سپس روی «زیرنویس‌ها» و «ترجمه خودکار» به فرانسوی ترجمه کنید. ©Carnegie Science
الکترونگاتیوی عناصر شیمیایی یکی از کلیدهای رفتار ماده است زیرا بر پیوندهای شیمیایی اتم ها در مولکول ها و کریستال ها تأثیر می گذارد. اولین نظریه توسط برنده جایزه نوبل لینوس پاولینگ و دیگران در طول دهه ها دنبال شده بود. جدیدترین آنها افتخارات مجله معتبر Nature Communications را انجام می دهد.
همانطور که Futura در مقاله قبلی توضیح داد، پرده آهنین جنگ سرد از جمله تأثیرات خود باعث ناآگاهی چندین نام بزرگ علم روسیه در قرن بیستم ^در غرب، خارج از دایره محدود متخصصان، اروپایی ها و آمریکایی ها شد. به عنوان مثال، چه کسی امروزه هنوز با نام برندگان جایزه نوبل فیزیک لو لاندو و پیوتر کاپیتسا آشنا است؟ اگر بخواهیم به برندگان جایزه نوبل شیمی نگاهی بیندازیم، چه کسی نام نیکولای سمیونوف و کار او در مورد واکنش های زنجیره ای در شیمی را شنیده است؟ در نهایت، چه کسی نام موسسه فیزیک و فناوری مسکو (MIPT برای موسسه فیزیک و فناوری مسکو ، Московский Физико-Технический институт، به زبان روسی)، به نام PhysTech ( Физтех ) را شنیده است، همانطور که ما از X در فرانسه یا MIT در فرانسه صحبت می کنیم. ایالات متحده، و پس از جنگ جهانی دوم توسط این سه برنده جایزه نوبل تاسیس شد؟
سخنرانی لینوس پاولینگ برنده جایزه نوبل در مورد پیوند شیمیایی. برای به دست آوردن ترجمه فرانسوی نسبتاً دقیق، روی مستطیل سفید در پایین سمت راست کلیک کنید. سپس باید زیرنویس انگلیسی ظاهر شود. سپس روی مهره سمت راست مستطیل، سپس بر روی “Subtitles” و در نهایت بر روی “Translate automatically” کلیک کنید. "فرانسوی" را انتخاب کنید. © دانشگاه ایالتی اورگان
تا آنجا که به شیمی مربوط می شود، و در آن سوی اقیانوس اطلس در همان زمان، یکی از ستاره ها و همچنین برنده جایزه نوبل لینوس پاولینگ نام داشت. ما به او مدیون کار اساسی در مورد ماهیت پیوند شیمیایی هستیم که او با آوردن مکانیک کوانتومی بسیار جوان در دهه 1930 از طریق نظریه هیبریداسیون اوربیتال های اتمی به روشن شدن آن کمک کرد.
در همان دوره، برای تصحیح آن، مفهوم الکترونگاتیوی را که برای اولین بار توسط شیمیدان سوئدی یونس برزلیوس در سال 1819 معرفی کرد، در نظر گرفت. عناصر. کافی است بگوییم که حتی امروزه، خواندن آثار پاولینگ، هم مقدمه او بر شیمی عمومی و هم رساله او در مورد پیوندهای شیمیایی ، حتی رساله او در شیمی کوانتومی ، الهام بخش است. (از طرفی در اواخر عمرش متاسفانه کارش روی ویتامین C نمونه ای از بیماری نوبل شد).
بیایید چند یادآوری سریع در مورد مفهوم الکترونگاتیوی انجام دهیم. از زمان کار گیلبرت لوئیس فیزیکدان و شیمیدان آمریکایی در حدود سال 1916 پذیرفته شده است که پیوند شیمیایی، به ویژه پیوند کووالانسی، ترکیبی از الکترون ها است. ایده های لوئیس (که نام فوتون کوانتوم نور انیشتین را مدیون او هستیم) با کشف مکانیک کوانتومی موجه یافتند. سپس می توان نشان داد که چگالی احتمال حضور الکترون ها در اطراف هسته اتم ها و در مولکول ها کم و بیش معادل چگالی بارهای الکتریکی است. سپس همه چیز به گونه‌ای اتفاق می‌افتد که گویی اتم‌های خاصی کم و بیش یک بار الکتریکی منفی را در یک پیوند شیمیایی در اطراف خود متمرکز می‌کنند و احتمالاً همان طور که شیمی‌دانان و فیزیکدانان در اصطلاح خود می‌گویند، وجود یک گشتاور دوقطبی را به وجود می‌آورند. سپس پیوند شیمیایی قطبی می شود، همچنان در همان اصطلاحات.
بنابراین، الکترونگاتیوی یک عنصر شیمیایی در مقایسه با عنصر دیگر، معیاری از توانایی عنصر اول برای تمرکز بار الکتریکی منفی به نفع خود در هنگام ایجاد یک پیوند شیمیایی است. بنابراین دانش و طبقه بندی الکترونگاتیوی عناصر به پیش بینی و درک انواع پیوندهای شیمیایی، پایداری آنها و در نهایت انرژی واکنش های شیمیایی و همچنین خواص کریستال های خاص کمک می کند. بنابراین پاولینگ یک فرمول و طبقه بندی برای توضیح الکترونگاتیوی ارائه کرد. آنها بیشترین استفاده را دارند اما متعاقباً موارد دیگری مانند رابرت اس. مولیکن پیشنهاد شده اند.
ارائه یک ستاره فیزیک روسی و کار او در فیزیک حالت جامد. برای به دست آوردن ترجمه فرانسوی نسبتاً دقیق، روی مستطیل سفید در پایین سمت راست کلیک کنید. سپس باید زیرنویس‌ها به زبان روسی ظاهر شوند. سپس روی مهره سمت راست مستطیل، سپس بر روی “Subtitles” و در نهایت بر روی “Translate automatically” کلیک کنید. "فرانسوی" را انتخاب کنید. © Skoltech
امروز تجدیدنظر جدیدی از مقیاس پاولینگ به تازگی در مقاله ای در مجله معتبر Nature Communications منتشر شده است. ما آن را مدیون فیزیکدان، شیمیدان و کریستالوگراف روسی آرتم اوگانوف، همراه با همکارش کریستین تانتاردینی، در مؤسسه علم و فناوری Skolkovo (Skoltech) هستیم که می‌توان آن را معادل روسی MIT در ایالات متحده دانست. Futura قبلاً چندین مقاله را به اکتشافات Artem Oganov به همراه همکاران و همکارانش در زمینه فیزیک فشار بالا و شیمی اختصاص داده است. مقاله قبلی زیر گواه این موضوع است. برای اینکه آرتم اوگانوف و کارهایش را کمی بهتر بشناسید، ویدیوی بالا شروع خوبی است.
در یک بیانیه مطبوعاتی از Skoltech، آرتم اوگانوف نتیجه ای را که با کریستین تانتاردینی به دست آورد و در مجموعه ای از Nature Communications نشان داده شده است، توضیح می دهد:
" همه چیز از زمانی شروع شد که تصمیم گرفتیم الکترونگاتیوی پالینگ را تحت فشار محاسبه کنیم. شیمی پرفشار کاملاً عجیب است، اما احتمالاً زمانی که کشف کرد که چگونه الکترونگاتیوی عناصر تحت فشار تغییر می کند، می تواند چیزهای زیادی را درک کند. ما از تعریف پاولینگ برای محاسبه الکترونگاتیوی در شرایط عادی استفاده کردیم و با شگفتی متوجه شدیم که مقیاس او با انرژی‌های اتصال نظری یا تجربی برای مولکول‌های یونی قابل‌توجهی مطابقت ندارد. علاوه بر این، بسیاری از نشریات در ادبیات شیمیایی به این مشکل اشاره کردند اما هیچ یک راه حل منسجمی ارائه نکردند. من فهمیدم که دلیل اصلی این امر این بود که پالینگ تثبیت یونی مولکول را به عنوان یک اثر افزایشی در نظر می گیرد، در حالی که اگر آن را به عنوان یک اثر ضربی در نظر بگیریم، بسیاری از معایب برطرف می شود. با فرمول جدید و انرژی‌های پیوند شیمیایی آزمایشی، الکترونگاتیوی همه عناصر را تعیین کرده‌ایم و مقیاس خوبی به دست آورده‌ایم که برای تفاوت‌های کوچک و بزرگ در الکترونگاتیوی کار می‌کند. »
ارائه Skoltech. برای به دست آوردن ترجمه فرانسوی نسبتاً دقیق، روی مستطیل سفید در پایین سمت راست کلیک کنید. سپس باید زیرنویس انگلیسی ظاهر شود. سپس روی مهره سمت راست مستطیل، سپس بر روی “Subtitles” و در نهایت بر روی “Translate automatically” کلیک کنید. "فرانسوی" را انتخاب کنید. © Skoltech
مقاله توسط Laurent Sacco منتشر شده در 05/01/2014
مشخص است که در فشارهای بالا، هیدروژن به یک فلز رسانا تبدیل می شود. محققان به تازگی تایید کرده اند که حتی نمک معمولی آشپزخانه با تبدیل شدن به مواد دیگر در بیش از 200000 اتمسفر، عجیب و غریب می شود. این کافی است تا ژئوفیزیکدانان محتاط تری که به دنبال نفوذ به اسرار درونی سیارات و در درازمدت، سیارات فراخورشیدی هستند، شود.
نمایشی از ساختار NaCl ₃ به دست آمده از نمک پختن در بیش از 200000 اتمسفر در سلول سندان الماس. اتم های کلر (Cl) به رنگ سبز و اتم های سدیم (Na) به رنگ بنفش هستند. این عمدتاً توابع موجی برای الکترون‌های پیوندهای شیمیایی است که با برخی اتم‌ها در رأس مکعب و برخی دیگر در سطوح نشان داده شده‌اند. © آرتم اوگانوف، دانشگاه ایالتی نیویورک در استونی بروک
یک تیم بین المللی از فیزیکدانان اخیراً نتایج کاری را در Science منتشر کرده اند که بدون شک پرسی ویلیامز بریگمن (1961-1882) یکی از پیشگامان فیزیک فشار بالا را مورد توجه قرار داده است. با تکمیل تکنیکی برای قرار دادن نمونه‌های ماده در فشارهای بیش از 100000 اتمسفر، فیزیکدان به اکتشافاتی دست یافت که جایزه نوبل فیزیک را در سال 1946 برای او به ارمغان آورد. برای مثال می‌توانیم به وجود فازهای جدید یخ اشاره کنیم.
ما بیش از هر چیز ایده سلول‌های سندان را مدیون او هستیم که امکان انجام آزمایش‌هایی در مورد وضعیت صخره‌های داخل زمین یا ماده در قلب سیارات غول‌پیکر مانند مشتری را فراهم کرد. سلول های سندان بریجمن در ابتدا از کاربید تنگستن ساخته شده بودند. آنها راه را برای سلول های سندان الماسی هموار کردند که امروزه به طور معمول برای آزمایش های فیزیک فشار بالا استفاده می شود.
جایزه نوبل فیزیک 1946 پرسی ویلیامز بریگمن (1961-1882) پیشگام مطالعه مواد پرفشار درون سیارات بود. او رابرت اوپنهایمر، ژئوفیزیکدان بزرگ، فرانسیس برچ و برنده جایزه نوبل فیزیک آینده، جان هاسبروک ون ولک را شاگرد داشت. او را یکی از تأثیرگذارترین نظریه پردازان عملیات گرایی در معرفت شناسی می دانند. © بنیاد نوبل
تیمی از فیزیکدانان از این سلول ها با سندان های الماسی استفاده کردند تا نمک پخت و پز ساده را با استفاده از پرتوهای لیزر به فشار بیش از 200000 اتمسفر و دمای 2000 کلوین برسانند (برای ثبت، فشار در مرکز زمین 3.6 میلیون تخمین زده شده است. اتمسفر و دمای آن در 6000 کلوین). همانطور که محققان در مقاله ای که در arxiv آپلود کردند، ویژگی های مواد به دست آمده در این شرایط با استفاده از روش پراش اشعه ایکس تجزیه و تحلیل شدند. برای این کار، آنها از یک خط پرتو از سنکروترون پترا III در Desy ( Deutsches Elektronen-Synchrotron ، سنکروترون الکترون آلمانی) استفاده کردند. هدف از این آزمایشات تأیید محاسبات نظری انجام شده بر روی رایانه توسط تیمی به سرپرستی یک فیزیکدان جامد روسی بود که به دلیل کارش بر روی بور و سدیم یا حتی روی ژرمن معروف است: آرتم اوگانوف .
نمایی از پترا III، یکی از درخشان ترین منابع پرتو ایکس جهان. جد او الکترون ها و پوزیترون ها را شتاب داد و منجر به کشف گلوئون ها در هادرون شد. © Deutsches Elektronen-Synchrotron (Desy)، 2014
به طور معمول، همانطور که هر دانشجوی فیزیک و شیمی برای چندین دهه آموخته است، پیوندهای شیمیایی از چند قانون ساده مانند octet پیروی می کنند. بیان می‌کند که اتم‌هایی با عدد اتمی (Z) بیشتر از چهار تمایل به ترکیب شدن دارند تا هشت الکترون در لایه ظرفیتی خود (پوسته بیرونی) داشته باشند که ساختار الکترونیکی مشابه گاز نجیب را به آنها می‌دهد.
برای یک اتم سدیم (Na)، که یک الکترون در لایه ظرفیت خود دارد، بنابراین یک الکترون بیشتر از اتم نئون ، و برای یک اتم کلر (Cl) که فاقد پوسته ای با ظرفیتی به اندازه اتم است، استفاده می شود. آرگون ، این قانون منجر به پیش بینی وجود NaCl، نمک معمولی آشپزخانه می شود. توسط شیمیدان گیلبرت لوئیس (که ما نام "فوتون" را مدیون او هستیم)، قاعده اکتت چند استثنا دارد. با این حال، انتظار نمی رفت که یک جامد یونی، در این مورد کریستال های نمک، دیگر در فشارهای بالا از آن اطاعت نکنند.
با این حال، الگوریتم ریاضی که آرتم اوگانوف روی رایانه اجرا کرد، بدون ابهام پیش‌بینی کرد که فراتر از 200000 اتمسفر، جامداتی به اندازه Na ₃ Cl و NaCl ₃ باید وجود داشته باشند. در مورد اول باید مخلوط نمک و سدیم فلزی و در حالت دوم نمک با کلر گرفته شود و با حرارت دادن به اندازه کافی فشرده شود. نه تنها این مورد است، بلکه پس از تشکیل، این مواد جدید از نظر ترمودینامیکی پایدار می مانند.
آنها فقط نوک یک کوه یخ خواهند بود، زیرا ارتباط سدیم و کلر مانند NaCl ₇ ، Na ₃ Cl ₂ و Na ₂ Cl نیز پیش بینی شده است. مهمتر از همه، این باعث می شود که فکر کنیم مواد دیگری که از قوانین معمول شیمی پیروی نمی کنند باید در فشار بالا وجود داشته باشند. آرتم اوگانوف توضیح می دهد : «قوانین شیمی قضایای ریاضی ناملموس نیستند. قوانین شیمی را می توان دور زد، زیرا "غیرممکن" در واقع برای آنها "دستیابی به مشکل" است. شما فقط باید شرایطی را پیدا کنید تا تعادل انرژی ها را به یک طرف برگردانید، و این قوانین دیگر قابل اجرا نیستند. »
!
از ثبت نام شما سپاسگزاریم.
خوشحالم که شما را در جمع خوانندگان ما دارم!
شبه بلورها همچنان فیزیکدانان را مجذوب خود می کنند

source