Ziemia skrywa tajemnicze pierwiastki. Naukowcy widzą w nich szansę

Od dekad naukowcy zastanawiają się, gdzie zniknęły niektóre lżejsze pierwiastki Ziemi. W porównaniu z ich zawartością w Słońcu i meteorytach, nasza planeta ma znacznie mniej wodoru, węgla, azotu, siarki i gazów szlachetnych, takich jak hel – w niektórych przypadkach nawet o 99 procent.

Część tej różnicy badacze tłumaczą utratami materii w czasie formowania Układu Słonecznego. Naukowcy podejrzewają jednak, że przyczyna może tkwić głębiej: w stałym jądrze Ziemi, gdzie żelazo pod ekstremalnym ciśnieniem (360 gigapaskali, czyli 3,6 miliona razy większym niż ciśnienie atmosferyczne) przyjmuje niezwykłą postać – elektrydu.

Duck Young Kim z Centrum Zaawansowanych Badań Naukowych i Technologicznych Wysokich Ciśnień w Szanghaju wyjaśnia, że żelazo w elektrydzie może stopniowo wchłaniać lżejsze pierwiastki przez miliardy lat, co tłumaczy obserwowaną niższą gęstość jądra Ziemi o 5-8 procent względem oczekiwań.

Elektrydy – tajemnicze materiały przyszłości

Elektrydy to niezwykłe ciała stałe, w których elektrony nie krążą wokół atomów ani nie przemieszczają się swobodnie. Zamiast tego uwięzione są w tzw. atraktorach niejądrowych, nadając materiałom unikalne właściwości. Dzięki nim pierwiastki mogą stabilizować się w ekstremalnych warunkach jądra planety.

Pierwszym metalem tworzącym elektryd był sód, przekształcający się w izolujący, przezroczysty materiał pod ciśnieniem 200 gigapaskali. Stefano Racioppi z Uniwersytetu Cambridge tłumaczy, że pod wysokim ciśnieniem elektrony sodu reorganizują się, tworząc niejądrowe atraktory, co całkowicie zmienia właściwości metalu.

Rewolucja w katalizie i chemii

Elektrydy mają ogromny potencjał praktyczny. Dzięki uwięzionym elektronom mogą efektywnie przyspieszać reakcje chemiczne i obniżać energię potrzebną do ich przebiegu. Przykładem jest majenit – tlenek glinianu wapnia z nanoklastrowymi „klatkami” na elektrony, który w połączeniu z nanocząstkami rutenu pozwala produkować amoniak w niższej temperaturze i pod niższym ciśnieniem niż w tradycyjnym procesie Habera-Boscha, zużywając o 20 procent mniej energii.

Inne elektrydy, w tym te organiczne, mogą w przyszłości umożliwić ekologiczne metody wytwarzania leków, przetwarzania CO₂ w paliwa i immobilizacji odpadów radioaktywnych. Lee Burton z Uniwersytetu w Tel Awiwie używa sztucznej inteligencji, aby przewidzieć, które materiały mogą tworzyć nowe elektrydy, badając ponad 40 000 struktur i symulując gęstość elektronową.