Struktur tiga dimensi senyawa Na2He
Sebuah tim ilmuwan internasional dari Institut Fisika dan Teknologi Moskow, Skoltech, Universitas Nanjing dan Universitas Stony Brook, yang dipimpin oleh Artem Oganov, meramalkan dan mampu memperoleh di laboratorium senyawa stabil natrium dan helium - Na 2 He. Senyawa serupa dapat terjadi di perut Bumi dan planet lain, dalam kondisi tekanan dan suhu yang sangat tinggi. Penelitian yang dipublikasikan di jurnal Kimia Alam, siaran pers dari University of Utah juga melaporkan secara singkat artikel tersebut. Perlu dicatat bahwa versi awal karya telah diposting oleh penulis dalam bentuk pracetak pada tahun 2013.
Helium, seperti neon, adalah unsur yang paling lembam secara kimia dalam tabel periodik dan hampir tidak bereaksi karena kulit elektron terluarnya terisi, potensial ionisasi tinggi, dan afinitas elektron nol. Untuk waktu yang lama, para ilmuwan telah mencoba untuk menemukan senyawa yang stabil, misalnya dengan fluor (HHeF dan (HeO)(CsF)), klorin (HeCl) atau lithium (LiHe), tetapi zat tersebut ada untuk waktu yang terbatas. Ada senyawa helium yang stabil (ini adalah NeHe 2 dan [dilindungi email] 2 O), namun, helium praktis tidak berpengaruh pada struktur elektronik dan dikaitkan dengan atom lain oleh gaya van der Waals. Namun, situasinya dapat berubah jika Anda mencoba bekerja pada tekanan tinggi - dalam kondisi seperti itu, gas mulia menjadi lebih aktif dan membentuk senyawa, seperti oksida dengan magnesium (Mg-NG, di mana NG adalah Xe, Kr atau Ar). Oleh karena itu, diputuskan untuk mencari senyawa tersebut dengan helium.
Para peneliti melakukan pencarian skala besar untuk kemungkinan senyawa helium yang stabil dengan berbagai unsur (H, O, F, Na, K, Mg, Li, Rb, Cs, dan sebagainya) menggunakan USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography ) kode yang dikembangkan oleh Oganov dan rekan-rekannya pada tahun 2004. Ternyata hanya natrium yang membentuk senyawa stabil dengan He pada tekanan yang tersedia untuk eksperimen laboratorium. Kemudian diputuskan untuk mencari senyawa yang stabil dari sistem Na-He dengan entalpi pembentukan minimum (yaitu yang paling stabil) pada tekanan yang berbeda. Perhitungan menunjukkan bahwa ini akan menjadi senyawa Na 2 He. Reaksi pembentukan zat ini dimungkinkan pada tekanan di atas 160 GPa, sementara itu akan menjadi eksotermik, yaitu. dengan pelepasan panas. Pada tekanan di bawah 50 GPa, koneksi akan menjadi tidak stabil.
Karakteristik termodinamika sistem Na-He pada tekanan yang berbeda
Untuk menguji perhitungan teoretis, diputuskan untuk mencoba mendapatkan senyawa yang diprediksi menggunakan landasan berlian yang dipanaskan oleh radiasi laser. Pelat tipis natrium dimasukkan ke dalamnya, dan sisa ruang diisi dengan gas helium. Selama percobaan, para ilmuwan mengambil spektrum Raman, selain itu, keadaan sistem dipantau secara visual dan menggunakan metode difraksi sinar-X sinkrotron. Data yang diperoleh kemudian dibandingkan dengan yang diprediksi berdasarkan perhitungan.
Struktur kristal Na2He pada 300 GPa (a,b) dan distribusi kerapatan elektron di dalamnya (c) kerabat baru graphene, dua bentuk alumina yang ada pada tekanan tinggi, serta untuk pertama kalinya "perekatan" lapisan dalam superkonduktor, yang ternyata disertai dengan hilangnya sifat superkonduktornya.
Alexander Voytyuk
MOSKOW, 6 Februari - RIA Novosti. Ahli kimia Rusia dan asing menyatakan kemungkinan keberadaan dua senyawa stabil dari elemen paling "xenophobia" - helium, dan secara eksperimental mengkonfirmasi keberadaan salah satunya - natrium helida, menurut sebuah artikel yang diterbitkan dalam jurnal Nature Chemistry.
"Studi ini menunjukkan bagaimana fenomena yang sama sekali tidak terduga dapat dideteksi menggunakan metode teoretis dan eksperimental paling modern. Pekerjaan kami sekali lagi menggambarkan betapa sedikitnya yang kita ketahui hari ini tentang dampak kondisi ekstrem pada kimia, dan peran fenomena tersebut pada proses di dalam planet. untuk dijelaskan,” kata Artem Oganov, seorang profesor di Skoltech dan Moscow Phystech di Dolgoprudny.
Rahasia gas mulia
Materi utama Semesta, yang muncul beberapa ratus juta tahun setelah Big Bang, hanya terdiri dari tiga elemen - hidrogen, helium, dan sejumlah kecil litium. Helium masih merupakan unsur paling melimpah ketiga di alam semesta saat ini, tetapi sangat langka di Bumi, dan cadangan helium di planet ini terus berkurang karena fakta bahwa ia lolos ke luar angkasa.
Ciri khas helium dan elemen lain dari kelompok kedelapan tabel periodik, yang oleh para ilmuwan disebut "gas mulia", adalah bahwa mereka sangat enggan - dalam kasus xenon dan elemen berat lainnya - atau pada prinsipnya, seperti neon, tidak dapat masuk ke dalam reaksi kimia. Hanya ada beberapa lusin senyawa xenon dan kripton dengan fluor, oksigen dan zat pengoksidasi kuat lainnya, senyawa nol neon dan satu senyawa helium, ditemukan secara eksperimental pada tahun 1925.
Senyawa ini, penyatuan proton dan helium, bukanlah senyawa kimia nyata dalam arti kata yang sebenarnya - helium dalam hal ini tidak berpartisipasi dalam pembentukan ikatan kimia, meskipun itu mempengaruhi perilaku atom hidrogen yang kehilangan elektron. Seperti yang diasumsikan oleh ahli kimia sebelumnya, "molekul" zat ini seharusnya ditemukan di medium antarbintang, tetapi selama 90 tahun terakhir, para astronom belum menemukannya. Alasan yang mungkin untuk ini adalah bahwa ion ini sangat tidak stabil dan hancur saat kontak dengan hampir semua molekul lain.
Artem Oganov dan timnya bertanya-tanya apakah senyawa helium bisa ada di bawah kondisi eksotis yang jarang dipikirkan oleh ahli kimia terestrial - pada tekanan dan suhu yang sangat tinggi. Oganov dan rekan-rekannya telah lama mempelajari kimia "eksotis" seperti itu dan bahkan mengembangkan algoritma khusus untuk mencari zat yang ada dalam kondisi seperti itu. Dengan bantuannya, mereka menemukan bahwa asam ortokarbonat eksotis, versi "mustahil" dari garam meja biasa, dan sejumlah senyawa lain yang "melanggar" hukum kimia klasik dapat eksis di kedalaman raksasa gas dan beberapa planet lain.
Menggunakan sistem yang sama, USPEX, ilmuwan Rusia dan asing menemukan bahwa pada tekanan ultra-tinggi melebihi tekanan atmosfer sebesar 150 ribu dan satu juta kali, ada dua senyawa helium stabil sekaligus - natrium helida dan natrium oksigelida. Senyawa pertama terdiri dari dua atom natrium dan satu atom helium, sedangkan yang kedua terdiri dari oksigen, helium, dan dua atom natrium.
Tekanan super tinggi menyebabkan garam 'melanggar' aturan kimiaAhli kimia Amerika-Rusia dan Eropa telah mengubah garam meja biasa menjadi senyawa kimia yang "mustahil", yang molekulnya tersusun dalam struktur eksotis dengan jumlah atom natrium dan klorin yang bervariasi.Atom di landasan berlian
Kedua tekanan dapat dengan mudah diperoleh dengan menggunakan landasan berlian modern, yang dilakukan rekan Oganov di bawah bimbingan orang Rusia lainnya, Alexander Goncharov dari Laboratorium Geofisika di Washington. Seperti yang ditunjukkan eksperimennya, natrium gelida terbentuk pada tekanan sekitar 1,1 juta atmosfer dan tetap stabil hingga setidaknya 10 juta atmosfer.
Menariknya, natrium helida memiliki struktur dan sifat yang mirip dengan garam fluor, "tetangga" helium pada tabel periodik. Setiap atom helium dalam "garam" ini dikelilingi oleh delapan atom natrium, mirip dengan struktur kalsium fluorida atau garam asam fluorida lainnya. Elektron dalam Na2He "tertarik" ke atom begitu kuat sehingga senyawa ini, tidak seperti natrium, adalah isolator. Para ilmuwan menyebut struktur seperti itu kristal ionik, karena elektron mengambil peran dan tempat ion bermuatan negatif di dalamnya.
“Senyawa yang kami temukan sangat tidak biasa: meskipun atom helium tidak secara langsung berpartisipasi dalam ikatan kimia, kehadiran mereka secara mendasar mengubah interaksi kimia antara atom natrium, berkontribusi pada lokalisasi elektron valensi yang kuat, yang membuat bahan yang dihasilkan menjadi isolator,” jelas Xiao Dong dari universitas Nankan di Tianjin (Cina).
Senyawa lain, Na2HeO, ternyata stabil pada kisaran tekanan 0,15 hingga 1,1 juta atmosfer. Zat ini juga merupakan kristal ionik dan memiliki struktur yang mirip dengan Na2He, hanya peran ion bermuatan negatif di dalamnya yang dimainkan bukan oleh elektron, tetapi oleh atom oksigen.
Menariknya, semua logam alkali lainnya, yang memiliki reaktivitas lebih tinggi, sangat kecil kemungkinannya untuk membentuk senyawa dengan helium pada tekanan yang melebihi tekanan atmosfer tidak lebih dari 10 juta kali.
Oganov dan rekan-rekannya mengaitkan ini dengan fakta bahwa orbit di mana elektron bergerak dalam atom kalium, rubidium, dan sesium berubah secara nyata dengan meningkatnya tekanan, yang tidak terjadi dengan natrium, untuk alasan yang belum jelas. Para ilmuwan percaya bahwa natrium gelida dan zat serupa lainnya dapat ditemukan di inti beberapa planet, katai putih, dan bintang lainnya.
Molekul lithium helium LiHe adalah salah satu molekul paling rapuh yang diketahui. Ukurannya lebih dari sepuluh kali ukuran molekul air.
Struktur bersyarat atom helium (kiri) dan litium (kanan).
© Universitas Birmingham
Seperti diketahui, atom dan molekul netral dapat membentuk ikatan yang kurang lebih stabil satu sama lain dalam tiga cara. Pertama, dengan bantuan ikatan kovalen, ketika dua atom berbagi satu atau lebih pasangan elektron yang sama. Ikatan kovalen adalah yang terkuat dari ketiganya. Energi karakteristik pecahnya mereka biasanya sama dengan beberapa volt elektron.
Ikatan hidrogen kovalen yang jauh lebih lemah. Ini adalah daya tarik yang terjadi antara atom hidrogen yang terikat dan atom elektronegatif dari molekul lain (biasanya atom seperti itu adalah oksigen atau nitrogen, lebih jarang fluor). Terlepas dari kenyataan bahwa energi ikatan hidrogen ratusan kali lebih kecil daripada ikatan kovalen, merekalah yang sangat menentukan sifat fisik air, dan juga memainkan peran penting dalam dunia organik.
Akhirnya, yang paling lemah adalah apa yang disebut interaksi van der Waals. Kadang-kadang juga disebut tersebar. Ini muncul sebagai akibat dari interaksi dipol-dipol dari dua atom atau molekul. Dalam hal ini, dipol dapat melekat pada molekul (misalnya, air memiliki momen dipol), atau diinduksi sebagai hasil interaksi.
Diagram kondisional yang menjelaskan bagaimana gaya dispersi muncul.© Universitas Akron
Energi karakteristik dari ikatan van der Waals adalah satuan kelvin (elektron volt yang disebutkan di atas sesuai dengan sekitar 10.000 kelvin). Yang paling lemah dari van der Waals adalah kopling antara dua dipol yang diinduksi. Jika ada dua atom non-polar, maka sebagai akibat dari gerakan termal, masing-masing memiliki momen dipol berosilasi acak tertentu (kulit elektron, seolah-olah, sedikit bergetar relatif terhadap nukleus). Momen-momen ini, berinteraksi satu sama lain, sebagai akibatnya sebagian besar memiliki orientasi sedemikian rupa sehingga dua atom mulai tertarik.
Yang paling lembam dari semua atom adalah helium. Itu tidak masuk ke dalam ikatan kovalen dengan atom lain. Pada saat yang sama, nilai polarisasinya sangat kecil, yaitu sulit untuk membentuk ikatan terdispersi. Namun, ada satu keadaan penting. Elektron dalam atom helium terikat sangat kuat oleh nukleus sehingga dapat dibawa sangat dekat dengan atom lain tanpa takut akan gaya tolak - hingga jarak orde jari-jari atom ini. Gaya terdispersi tumbuh sangat cepat dengan berkurangnya jarak antar atom - berbanding terbalik dengan pangkat enam jarak!
Maka lahirlah ide: jika Anda mendekatkan dua atom helium satu sama lain, maka ikatan van der Waals yang rapuh akan tetap muncul di antara mereka. Hal ini memang disadari pada pertengahan tahun 1990-an, meskipun membutuhkan usaha yang cukup keras. Energi ikatan semacam itu hanya 1 mK, dan molekul He₂ telah terdeteksi dalam jumlah kecil dalam pancaran helium superdingin.
Pada saat yang sama, sifat-sifat molekul He₂ dalam banyak hal unik dan tidak biasa. Jadi, misalnya, ukurannya ... sekitar 5 nm! Sebagai perbandingan, ukuran molekul air adalah sekitar 0,1 nm. Pada saat yang sama, energi potensial minimum molekul helium jatuh pada jarak yang jauh lebih pendek - sekitar 0,2 nm - namun, sebagian besar waktu - sekitar 80% - atom helium dalam molekul dihabiskan dalam mode tunneling, yaitu, dalam wilayah di mana mereka berada dalam kerangka mekanika klasik tidak bisa.
Seperti inilah bentuk molekul helium.Jarak rata-rata antar atom jauh melebihi ukurannya.
© Institut für Kernphysik, J. W. Goethe Universität
Atom terbesar berikutnya setelah helium adalah litium, jadi setelah mendapatkan molekul helium, menjadi wajar untuk mempelajari kemungkinan memperbaiki hubungan antara helium dan litium. Pada 2013, para ilmuwan akhirnya berhasil melakukan hal itu. Molekul lithium-helium LiHe memiliki energi ikat yang lebih tinggi daripada helium-helium - 34 ± 36 mK, dan jarak antar atom, sebaliknya, lebih kecil - sekitar 2,9 nm. Namun, bahkan dalam molekul ini, atom sebagian besar waktu berada dalam keadaan terlarang klasik di bawah penghalang energi. Menariknya, potensi sumur untuk molekul LiHe sangat kecil sehingga hanya dapat eksis dalam satu tingkat energi vibrasi, yang sebenarnya merupakan pemisahan ganda karena putaran atom Li. Konstanta rotasinya sangat besar (sekitar 40 mK) sehingga eksitasi spektrum rotasi mengarah pada penghancuran molekul.
Potensi molekul yang dibahas (kurva padat) dan modulus kuadrat dari fungsi gelombang atom di dalamnya (kurva putus-putus). Poin juga ditandai PM - potensi minimum, OTP - titik balik eksternal untuk tingkat energi terendah, MIS - jarak rata-rata tertimbang antara atom.© Brett Esry/Universitas Negeri Kansas
Sejauh ini, hasil yang diperoleh menarik hanya dari sudut pandang fundamental. Namun, mereka sudah tertarik pada bidang ilmu terkait. Dengan demikian, gugus helium dari banyak partikel dapat menjadi alat untuk mempelajari efek penundaan dalam ruang hampa Casimir. Studi tentang interaksi helium-helium juga penting untuk kimia kuantum, yang dapat menguji modelnya pada sistem ini. Dan, tentu saja, tidak ada keraguan bahwa para ilmuwan akan menemukan aplikasi menarik dan penting lainnya untuk objek yang luar biasa seperti molekul He₂ dan LiHe.
Para ilmuwan berhasil mendapatkan dan mendaftarkan molekul lithium-helium LiHe. Ini adalah salah satu molekul paling rapuh yang dikenal. Dan ukurannya lebih dari sepuluh kali lebih besar dari ukuran molekul air.
Seperti diketahui, atom dan molekul netral dapat membentuk ikatan yang kurang lebih stabil satu sama lain dalam tiga cara. Pertama, dengan bantuan ikatan kovalen, ketika dua atom berbagi satu atau lebih pasangan elektron yang sama. Ikatan kovalen adalah yang terkuat dari ketiganya. Energi karakteristik pecahnya mereka biasanya sama dengan beberapa volt elektron.
Ikatan hidrogen kovalen yang jauh lebih lemah. Ini adalah daya tarik yang terjadi antara atom hidrogen yang terikat dan atom elektronegatif dari molekul lain (biasanya atom seperti itu adalah oksigen atau nitrogen, lebih jarang fluor). Terlepas dari kenyataan bahwa energi ikatan hidrogen ratusan kali lebih kecil daripada ikatan kovalen, merekalah yang sangat menentukan sifat fisik air, dan juga memainkan peran penting dalam dunia organik.
Akhirnya, yang paling lemah adalah apa yang disebut interaksi van der Waals. Kadang-kadang juga disebut tersebar. Ini muncul sebagai akibat dari interaksi dipol-dipol dari dua atom atau molekul. Dalam hal ini, dipol dapat melekat pada molekul (misalnya, air memiliki momen dipol) atau diinduksi sebagai hasil interaksi.
Energi karakteristik dari ikatan van der Waals adalah satuan kelvin (elektron volt yang disebutkan di atas sesuai dengan sekitar 10.000 kelvin). Yang paling lemah dari van der Waals adalah kopling antara dua dipol yang diinduksi. Jika ada dua atom non-polar, maka sebagai akibat dari gerakan termal, masing-masing memiliki momen dipol berosilasi acak tertentu (kulit elektron, seolah-olah, sedikit bergetar relatif terhadap nukleus). Momen-momen ini, berinteraksi satu sama lain, sebagai akibatnya sebagian besar memiliki orientasi sedemikian rupa sehingga dua atom mulai tertarik.
Yang paling lembam dari semua atom adalah helium. Itu tidak masuk ke dalam ikatan kovalen dengan atom lain. Pada saat yang sama, nilai polarisasinya sangat kecil, yaitu sulit untuk membentuk ikatan terdispersi. Namun, ada satu keadaan penting. Elektron dalam atom helium terikat sangat kuat oleh nukleus sehingga dapat dibawa sangat dekat dengan atom lain tanpa takut akan gaya tolak - hingga jarak orde jari-jari atom ini. Gaya terdispersi tumbuh sangat cepat dengan berkurangnya jarak antar atom - berbanding terbalik dengan pangkat enam jarak!
Maka lahirlah ide: jika Anda mendekatkan dua atom helium satu sama lain, maka ikatan van der Waals yang rapuh akan tetap muncul di antara mereka. Hal ini memang disadari pada pertengahan tahun 1990-an, meskipun membutuhkan usaha yang cukup keras. Energi ikatan semacam itu hanya 1 mK, dan molekul He2 telah terdeteksi dalam jumlah kecil dalam pancaran helium superdingin.
Pada saat yang sama, sifat-sifat molekul He2 dalam banyak hal unik dan tidak biasa. Jadi, misalnya, ukurannya ... sekitar 5 nm! Sebagai perbandingan, ukuran molekul air adalah sekitar 0,1 nm. Pada saat yang sama, energi potensial minimum molekul helium jatuh pada jarak yang jauh lebih pendek - sekitar 0,2 nm - namun, sebagian besar waktu - sekitar 80% - atom helium dalam molekul dihabiskan dalam mode tunneling, yaitu, dalam wilayah di mana mereka berada dalam kerangka mekanika klasik tidak bisa.
Atom terbesar berikutnya setelah helium adalah litium, jadi setelah mendapatkan molekul helium, menjadi wajar untuk mempelajari kemungkinan memperbaiki hubungan antara helium dan litium. Dan sekarang, akhirnya, para ilmuwan berhasil melakukan ini. Molekul lithium-helium LiHe memiliki energi ikat yang lebih tinggi daripada helium-helium - 34 ± 36 mK, dan jarak antar atom, sebaliknya, lebih kecil - sekitar 2,9 nm. Namun, bahkan dalam molekul ini, sebagian besar waktu atom berada dalam keadaan terlarang secara klasik di bawah penghalang energi. Menariknya, potensi sumur untuk molekul LiHe sangat kecil sehingga hanya dapat eksis dalam satu tingkat energi vibrasi, yang sebenarnya merupakan pembelahan ganda karena putaran atom 7Li. Konstanta rotasinya sangat besar (sekitar 40 mK) sehingga eksitasi spektrum rotasi mengarah pada penghancuran molekul.
Brett Esry/Universitas Negeri Kansas
Sejauh ini, hasil yang diperoleh menarik hanya dari sudut pandang fundamental. Namun, mereka sudah tertarik pada bidang ilmu terkait. Dengan demikian, gugus helium dari banyak partikel dapat menjadi alat untuk mempelajari efek penundaan dalam ruang hampa Casimir. Studi tentang interaksi helium-helium juga penting untuk kimia kuantum, yang dapat menguji modelnya pada sistem ini. Dan, tentu saja, tidak ada keraguan bahwa para ilmuwan akan menemukan aplikasi menarik dan penting lainnya untuk objek yang luar biasa seperti molekul He2 dan LiHe.
Anda mungkin pernah mendengar ungkapan "Anda terbuat dari debu bintang" - dan itu benar. Banyak partikel yang membentuk tubuh Anda, dan dunia di sekitar Anda, terbentuk di dalam bintang miliaran tahun yang lalu. Tetapi ada beberapa materi yang terbentuk di awal, setelah kelahiran Alam Semesta.
Beberapa astronom percaya mereka muncul hanya beberapa menit setelah Big Bang. Unsur yang paling melimpah di alam semesta adalah hidrogen dan helium, dengan jumlah lithium kimia yang sangat kecil.
Para astronom dapat menentukan dengan sedikit akurasi berapa banyak lithium di alam semesta awal. Untuk melakukan ini, Anda perlu menjelajahi bintang tertua. Tetapi hasil yang diperoleh tidak cocok - di bintang-bintang tua ternyata lithium 3 kali lebih sedikit dari yang diharapkan ditemukan! Alasan misteri ini masih belum diketahui.
Mari kita lihat lebih dekat...
Sebenarnya, pada tingkat pengamatan kami saat ini, seharusnya tidak ada kesalahan: hanya ada sedikit lithium. Situasi ini dengan jelas mengisyaratkan beberapa fisika baru, sebuah proses yang tidak kita ketahui yang terjadi segera setelah Big Bang.
Studi terbaru tentang topik ini telah menyentuh wilayah yang paling sedikit berubah sejak Big Bang - atmosfer bintang tua yang terletak di pinggiran Bima Sakti. Karena mereka diisolasi dari inti, di mana lithium dapat diproduksi, kemungkinan kontaminasi terlambat mempengaruhi hasil harus sangat kecil. Atmosfer mereka hanya mengandung sekitar sepertiga dari tingkat yang diprediksi oleh simulasi untuk lithium-7. Penyebab? Satu penjelasan yang ditawarkan adalah bahwa dia tenggelam. Lithium dari atmosfer bintang mulai tenggelam ke dalam materi bintang, secara bertahap mencapai kedalamannya. Oleh karena itu, tidak terlihat di atmosfer mereka.
Christopher Hawk dari Universitas Notre Dame (Indiana, AS) dan rekan-rekannya melakukan verifikasi hasil berdasarkan data dari Awan Magellan Kecil, galaksi satelit Bima Sakti. Dan untuk menghilangkan data dari efek "terjun lithium" dan pengaruh lain dari proses bintang lokal, para peneliti menganalisis isi gas antarbintang di galaksi kerdil ini, menunjukkan bahwa dia harus bangga dengan lithium-nya: dia hanya tidak ada yang perlu ditenggelamkan di sini.
Menggunakan pengamatan dari Teleskop Sangat Besar Observatorium Eropa Selatan, para astronom menemukan lithium sebanyak yang diprediksi model Big Bang, seperti yang dilaporkan dalam jurnal Nature. Tapi sayangnya, ini tidak banyak membantu dalam menyelesaikan masalah. Faktanya adalah bahwa lithium terus-menerus terbentuk di Semesta selama proses alami, dan ledakan supernova mendistribusikannya secara merata ke seluruh Metagalaxy, seperti semua elemen lain yang dihasilkan di kedalaman. Hasil baru, menurut Christopher Hawke, hanya memperburuk misteri lithium: "Kita hanya bisa membicarakan solusi untuk masalah ini jika tidak ada perubahan jumlah lithium yang tersedia sejak Big Bang." Dan itu hanya pada skala Awan Magellan Kecil!
Yang terpenting, sangat sulit untuk membayangkan bahwa selama 12-13 miliar tahun fusi termonuklir, yang menciptakan unsur-unsur sangat berat yang memungkinkan kehidupan di Bumi, litium tidak diproduksi karena alasan tertentu. Setidaknya pemahaman kita saat ini tentang nukleosintesis termonuklir tidak memungkinkan kita untuk mengajukan hipotesis semacam itu.
Lebih buruk lagi, pekerjaan baru oleh Miguel Pato dari Technical University of Munich (Jerman) dan Fabio Iocco dari University of Stockholm (Swedia) telah menunjukkan bahwa tidak hanya lubang hitam supermasif di inti galaksi, tetapi juga yang paling umum (dan lebih banyak lagi). banyak) lubang hitam asal bintang harus menghasilkan litium dalam cakram akresinya, dan cukup intensif.
Sekarang ternyata hampir setiap mikroquasar (hanya sistem BH - disk akresi) harus membuat lithium. Tetapi secara teoritis, seharusnya ada lebih banyak dari mereka daripada SMBH, catat Miguel Pato.
Singkatnya, belum ada kejelasan tentang masalah ini. Christopher Hawke, misalnya, menyarankan bahwa segera setelah Big Bang, beberapa reaksi eksotis dari sudut pandang fisik dapat terjadi di Semesta, di mana partikel materi gelap berpartisipasi, dan mereka menekan pembentukan lithium. Ini bisa menjelaskan mengapa ada lebih banyak lithium di Awan Magellan Kecil daripada di Galaksi kita: galaksi kerdil, yang termasuk MMO, seharusnya kurang aktif dalam menarik materi gelap di alam semesta awal. Ini berarti bahwa reaksi hipotetis ini memiliki efek yang lebih kecil pada konsentrasi lithium di dalamnya. Mr Hawk bermaksud untuk menguji ide ini dengan bantuan studi yang lebih mendalam dari Awan Magellan Kecil ...
Sampai sekarang, kita hanya bisa mencari lithium di bintang terdekat dari Galaksi kita. Maka sekelompok astronom dapat menentukan tingkat kandungan litium di gugus bintang di luar Galaksi kita.
Gugus bintang Messier 54 memiliki rahasia - itu bukan milik Bima Sakti, dan merupakan bagian dari galaksi satelit - galaksi elips kerdil di Sagitarius. Lokasi cluster ini memungkinkan para ilmuwan untuk memeriksa apakah kelimpahan lithium di bintang-bintang di luar Bima Sakti juga rendah.
Di sekitar Bima Sakti, terdapat lebih dari 150 gugus bintang globular, yang terdiri dari ratusan ribu bintang purba. Salah satu gugusan tersebut, bersama dengan gugusan lainnya di konstelasi Sagitarius, ditemukan pada akhir abad ke-18 oleh pemburu komet Prancis Charles Messier, dan menyandang namanya Messier 54.
Selama lebih dari dua abad, para ilmuwan secara keliru percaya bahwa M54 adalah gugusan yang sama dengan gugus lainnya di Bima Sakti, tetapi pada tahun 1994 ditemukan bahwa gugusan bintang ini milik galaksi lain - galaksi elips kerdil di Sagitarius. Objek itu juga ditemukan berada 90.000 tahun cahaya dari Bumi, lebih dari tiga kali jarak antara Matahari dan pusat galaksi.
Saat ini, para astronom sedang memantau M54 dengan Survei VLT, mencoba memecahkan salah satu pertanyaan paling membingungkan dalam astronomi modern mengenai keberadaan litium di bintang-bintang.
Dalam gambar ini Anda tidak hanya dapat melihat gugusan itu sendiri, tetapi juga latar depan yang sangat padat, yang terdiri dari bintang-bintang Bima Sakti. Foto oleh ESO.
Sebelumnya, para astronom hanya mampu menentukan kelimpahan lithium di bintang-bintang Bima Sakti. Namun, tim peneliti yang dipimpin oleh Alessio Mucciarelli dari Universitas Bologna kini telah menggunakan Survei VLT untuk mengukur kelimpahan lithium di gugus bintang ekstragalaksi M54. Studi menunjukkan bahwa jumlah lithium di bintang tua M54 tidak berbeda dengan bintang Bima Sakti. Oleh karena itu, di mana pun lithium menghilang, Bima Sakti sama sekali tidak ada hubungannya dengan itu.
lithium logam
Lithium adalah logam paling ringan, 5 kali lebih ringan dari aluminium. Lithium mendapatkan namanya karena ditemukan di "batu" (Yunani - batu). Nama itu disarankan oleh Berzelius. Ini adalah salah satu dari tiga elemen (selain hidrogen dan helium) yang terbentuk selama era nukleosintesis primordial setelah Big Bang, sebelum kelahiran bintang. Sejak itu, konsentrasinya di alam semesta hampir tidak berubah.
Lithium dapat dengan tepat disebut sebagai elemen terpenting dari peradaban modern dan perkembangan teknologi. Di masa lalu dan abad sebelumnya, indikator produksi asam dan logam terpenting, pembawa air dan energi adalah kriteria untuk pengembangan kekuatan industri dan ekonomi negara. Pada abad ke-21, lithium dengan tegas dan permanen memasuki daftar indikator tersebut. Saat ini, lithium memiliki kepentingan ekonomi dan strategis yang luar biasa di negara-negara industri maju.
Dengan mempelajari bintang baru Nova Delphini 2013 (V339 Del), para astronom dapat mendeteksi prekursor kimia lithium, sehingga melakukan pengamatan langsung pertama dari proses pembentukan elemen ketiga dalam tabel periodik - yang sebelumnya hanya diasumsikan secara teoretis.
"Sampai sekarang, para ilmuwan belum memiliki bukti langsung pembentukan lithium di bintang-bintang baru, tetapi setelah melakukan penelitian kami, kami dapat mengatakan bahwa proses seperti itu sedang terjadi," kata penulis utama karya ilmiah baru, Akito Taitsu dari National Observatory. dari Jepang.
Ledakan bintang baru terjadi ketika, dalam sistem bintang biner dekat, materi mengalir dari salah satu bintang penyusunnya ke permukaan bintang pendamping - katai putih. Reaksi termonuklir yang tidak terkendali menyebabkan lonjakan tajam dalam luminositas bintang, yang, pada gilirannya, mengarah pada pembentukan unsur-unsur yang lebih berat daripada hidrogen dan helium, yang hadir dalam jumlah signifikan di sebagian besar bintang alam semesta.
Salah satu unsur kimia yang terbentuk sebagai akibat dari ledakan semacam itu adalah isotop litium Li-7 yang tersebar luas. Sementara sebagian besar unsur kimia berat terbentuk di inti bintang dan dalam ledakan supernova, Li-7 adalah unsur yang terlalu rapuh untuk menahan suhu tinggi yang dipertahankan di sebagian besar inti bintang.
Beberapa lithium yang ada di alam semesta terbentuk sebagai akibat dari Big Bang. Selain itu, sejumlah litium dapat terbentuk sebagai hasil interaksi sinar kosmik dengan bintang dan materi antarbintang. Namun, proses ini tidak menjelaskan jumlah berlebihan lithium yang ada di alam semesta saat ini.
Pada tahun 1950-an Para ilmuwan telah menyarankan bahwa lithium di alam semesta dapat terbentuk dari berilium isotop Be-7, yang terbentuk di dekat permukaan bintang dan dapat ditransfer ke luar angkasa, di mana efek suhu tinggi pada materi berkurang, dan yang baru lithium yang terbentuk tetap dalam keadaan stabil. Namun, sampai sekarang, pengamatan dari Bumi terhadap lithium yang terbentuk di dekat permukaan bintang merupakan tugas yang agak sulit.
Taitsu dan timnya menggunakan Teleskop Subaru di Hawaii untuk pengamatan mereka. Selama periode pengamatan, tim dengan jelas mencatat bagaimana nuklida Be-7, yang memiliki waktu paruh 53 hari, berubah menjadi Li-7.
