Yaklaşık bir asırdır bilim insanları, Dünya'nın kayıp hafif elementleri gizemini çözmeye çalışıyor. Güneş ve bazı meteoritlerle karşılaştırıldığında, Dünya'da hidrojen, karbon, azot ve kükürt gibi elementlerin yanı sıra helyum gibi soy gazların da önemli ölçüde az olduğu görülüyor. Bu eksikliğin bir kısmı, gezegenimiz oluşurken uzay boşluğuna kaçan elementlerle açıklanabilse de, araştırmacılar uzun süredir başka bir açıklama olduğunu düşünüyorlardı.
Son zamanlarda bir grup bilim insanı, bu elementlerin Dünya'nın katı iç çekirdeğinde saklanıyor olabileceğine dair potansiyel bir açıklama sundu. 360 gigapaskal gibi olağanüstü yüksek bir basınç altında, yani atmosferik basıncın 3.6 milyon katı daha fazla bir basınçta, demir garip bir şekilde davranarak bir 'elektrid' formuna dönüşüyor. Elektridler, nadiren bilinen bu metal türü, hafif elementleri bünyesine çekme yeteneğine sahip.
Çalışmanın ortak yazarlarından, Şangay'daki Yüksek Basınç Bilim ve Teknoloji Araştırma Merkezi'nden katı hal fizikçisi Duck Young Kim, bu hafif elementlerin emiliminin milyarlarca yıl boyunca yavaş yavaş gerçekleşmiş olabileceğini ve hala devam ediyor olabileceğini belirtiyor. Bu durum, sismik dalgaların Dünya içinden geçerken kaydettiği verilerin, sadece metalden oluşması beklenen iç çekirdeğin yoğunluğundan yüzde 5 ila 8 daha düşük bir yoğunluk göstermesini açıklayabilir.
Elektridler, sadece gezegensel bir gizemi çözmekle kalmıyor, aynı zamanda oda sıcaklığı ve basıncında çeşitli elementlerden üretilebiliyor. İçerdikleri reaktif elektronlar sayesinde, zorlu kimyasal reaksiyonları tetiklemeye yardımcı olan ideal katalizörler ve diğer yardımcı ajanlar olarak öne çıkıyorlar. Örneğin, bir elektrid türü, gübre üretiminde önemli bir bileşen olan amonyağın üretimi için katalizör olarak kullanılıyor. Japon geliştiriciler, bu sürecin geleneksel amonyak üretiminden yüzde 20 daha az enerji kullandığını iddia ediyor. Kimyagerler ise daha ucuz ve daha çevre dostu ilaç üretim yöntemlerine yol açabilecek yeni elektridler keşfediyor.
Mevcut zorluk, bu ilgi çekici malzemelerden daha fazlasını bulmak ve oluşumlarını yöneten kimyasal kuralları anlamaktır.
Yüksek Basınç Altındaki Elektridler
Çoğu katı madde, düzenli atom ağlarından oluşurken, elektridler farklı bir yapıya sahiptir. Ağlarında elektronların kendi başlarına oturduğu küçük boşluklar bulunur.
Normal metallerde, bir atoma bağlı olmayan elektronlar bulunur. Bunlar, metallerin elektriği iletmesini sağlayan, atomlar arasında serbestçe hareket edebilen 'değerlik' elektronlarıdır. Elektriderde ise dış elektronlar belirli bir atomu yörüngeye almaz, ancak serbestçe hareket edemezler. Bunun yerine, 'nükleer çekici olmayan alanlar' olarak adlandırılan atomlar arasındaki konumlarda hapsolurlar. Bu da malzemelere benzersiz özellikler kazandırır. Dünya'nın çekirdeğindeki demir durumunda, negatif elektron yükleri, bu olağanüstü yüksek basınçlar altında oluşan nükleer çekici olmayan alanlarda hafif elementleri stabilize eder. Bu elementler, metale nüfuz ederek kayboldukları yeri açıklayabilir.
Yüksek basınç altında elektrid oluşturan ilk metal olarak 2009'da sodyum bildirilmiştir. 200 gigapaskal basınçta, parlak, yansıtıcı ve iletken bir metalden şeffaf, camsı, yalıtkan bir malzemeye dönüşür. Bu bulgu, o dönemde çalışanlar için oldukça şaşırtıcı olmuştur. Erken teoriler, yüksek basınç altında sodyumun dış elektronlarının atomlar arasında daha da serbestçe hareket edeceğini öngörüyordu.
Durumun farklı olduğuna dair ilk işaretler, 1990'ların sonlarındaki teorik çalışmalardan geldi. Bilim insanları, kuantum teorisi kurallarına dayanan katı maddeleri modellemek için hesaplamalı simülasyonlar kullanıyorlardı. Bu kurallar, elektronların sahip olabileceği enerji seviyelerini ve dolayısıyla atomlardaki olası konum aralıklarını tanımlar.
Katı sodyumu simüle etmek, yüksek basınçlarda sodyum atomları birbirine yaklaştıkça, her atomun yörüngesindeki elektronların da yaklaştığını gösterdi. Bu durum, birbirleriyle olan itici kuvvetlerini artırır. Bu, her atom çekirdeği etrafındaki her elektronun göreceli enerjilerini değiştirerek, elektron konumlarının yeniden düzenlenmesine yol açar.
Sonuç: Elektronların atomlar arasında serbestçe hareket etmesini sağlayan orbitalleri işgal etmek yerine, orbitaller, elektronları nükleer çekici olmayan alanlara girmeye zorlayan yeni bir şekil alır. Elektronlar bu alanlarda hapsolduğundan, katı metal özelliklerini kaybeder.
Bu teorik çalışmalara ek olarak, araştırmacılar aşırı basınç altında bir sodyum elektridinin deneysel kanıtlarını bulmak için işbirliği yaptılar. Sodyum kristalleri elmaslar arasına sıkıştırılarak, metal yapısındaki elektron yoğunluğu X-ışını kırınımı kullanılarak haritalandırıldı. Bu, elektronların gerçekten de sodyum atomları arasındaki öngörülen nükleer çekici olmayan alanlarda bulunduğunu doğruladı.
Katalizörler İçin İdeal Bir Malzeme
Elektridler, kimyasal reaksiyonları hızlandıran ve gereken enerjiyi azaltan katalizörler için ideal adaylardır. Bunun nedeni, nükleer çekici olmayan alanlardaki izole elektronların bağlar oluşturmak ve kırmak için verilebilmesidir. Ancak kullanışlı olmaları için ortam koşullarında işlev görmeleri gerekir.
Son 10 yılda, inorganik bileşiklerden veya metal atomları içeren organik moleküllerden yapılmış birkaç kararlı elektrid keşfedildi. Bunlardan en önemlilerinden biri olan mayenit, bir tür çimento araştırılırken sürpriz bir şekilde keşfedildi.
Mayenit, kafes adı verilen ve oksijen iyonlarını içeren çok küçük gözeneklere (birkaç nanometre genişliğinde) sahip kristaller oluşturan bir kalsiyum alüminat oksittir. Kalsiyum veya titanyum gibi bir metal buharı yüksek sıcaklıkta üzerinden geçirildiğinde oksijeni uzaklaştırır ve sadece bu alanlarda hapsolmuş elektronları bırakır - bu bir elektriddir.
Yüksek basınçlı metal elektriderinden farklı olarak, mayenit bir yalıtkan olarak başlar. Ancak şimdi hapsolmuş elektronları kafesler arasında (kuantum tünelleme adı verilen bir süreçle) zıplayabilir, bu da onu bir metalden (alüminyum veya gümüş gibi) 100 ila 1000 kat daha az iletken olsa da bir iletken yapar. Ayrıca, reaksiyonlarda bağlar oluşturmaya ve kırmaya yardımcı olmak için elektronları bağışlayabilen mükemmel bir katalizör haline gelir.
2011 yılına gelindiğinde, gübre için amonyak sentezlemek üzere daha çevre dostu ve daha verimli bir katalizör olarak mayenit geliştirilmeye başlandı. Yılda 170 milyon metrik tondan fazla amonyak, çoğunlukla gübreler için, metal oksitlerin yüksek basınç ve sıcaklıkta hidrojen ve azot gazlarının reaksiyona girmesini sağlayan Haber-Bosch süreciyle üretilir. Bu enerji yoğun ve pahalı bir süreçtir - Haber-Bosch tesisleri dünya enerji kullanımının yaklaşık %2'sini oluşturur.
Haber-Bosch sürecinde, katalizörler iki gazı yüzeylerine bağlar ve azot gazındaki iki atomu bir arada tutan güçlü üçlü bağı kırmaya yardımcı olmak için elektronlar verir, ayrıca hidrojen gazındaki bağları da kırar. Mayenitin güçlü elektron verme eğilimi nedeniyle, araştırmacılar mayenitin bunu daha iyi yapabileceğini düşündü.
Mayenit gazları bağlamaz, ancak bir metal olan rutenyumun nanopartikülleri için bir destek yatağı olarak hareket eder. İlk olarak, nanopartiküller azot ve hidrojen gazlarını emer. Ardından mayenit, rutenyuma elektronlar verir. Bu elektronlar azot ve hidrojen moleküllerine akarak bağlarının kopmasını kolaylaştırır. Böylece amonyak, Haber-Bosch'dan daha düşük bir sıcaklıkta (300-400°C) ve daha düşük basınçta (50-80 atmosfer) oluşur; bu da 400-500°C ve 100-400 atmosferde gerçekleşir.
2017 yılında, Hosono'nun katalizörünü ticarileştirmek için Tsubame BHB şirketi kuruldu ve ilk pilot tesis 2019'da yılda 20 metrik ton amonyak üreterek açıldı. Şirket o zamandan beri Japonya'da daha büyük bir tesis açtı ve ülkenin fosil yakıt bazlı gübre üretiminin bir kısmını değiştirmek için Brezilya'da yılda 20.000 tonluk bir yeşil amonyak tesisi kuruyor. Şirket, bunun yıllık 11.000 ton CO2 emisyonunu önleyeceğini tahmin ediyor - bu da yaklaşık 2.400 otomobilin yıllık emisyonuna eşdeğerdir.
Hosono'ya göre, mayenit katalizörünün başka uygulamaları da var, bunlar arasında CO2'nin metan, metanol veya daha uzun zincirli hidrokarbonlar gibi faydalı kimyasallara daha düşük enerjili bir dönüşümü yer alıyor. Diğer bilim insanları, mayenitin kafes yapısının nükleer santrallerdeki radyoaktif atık maddeleri sabitlemek için de uygun olduğunu öne sürdüler: Elektronlar iyot ve bromür gibi negatif iyonları yakalayabilir ve onları kafeslere hapsedebilir.
Mayenit, uzaydaki uydular için düşük sıcaklıklı bir tahrik sistemi olarak bile incelenmiştir. 600°C'ye kadar ısıtıldığında ve vakumda, hapsedilmiş elektronları kafeslerden fışkırarak itme kuvveti oluşturur.
Organik Elektridler
Elektrid oluşturan malzemelerin listesi giderek büyüyor. 2024 yılında, İngiltere'deki Leicester Üniversitesi'nden kimyager Fabrizio Ortu liderliğindeki bir ekip, kalsiyum iyonlarının büyük organik moleküllerle çevrili olduğu, koordinasyon kompleksi olarak bilinen oda sıcaklığında kararlı başka bir elektridi tesadüfen keşfetti.
Mekanik kimya adı verilen bir yöntem kullanıyordu - 'Bir öğütme kavanozuna bir şey koyarsınız, onu çok sert sallarsınız ve bu reaksiyon için enerji sağlar,' diyor. Ancak şaşırtıcı bir şekilde, kalsiyum kompleksine eklediği potasyumdan gelen elektronlar kalsiyum iyonuna verilmedi. Bunun yerine oluşan şeyde, iki metal arasındaki yerlerde hapsolmuş 'sistemde yüzen elektronlar' vardı.
Mayenitin aksine, bu elektrid bir iletken değildir - hapsedilmiş elektronları zıplamaz. Ancak, reaktif olmayan bağları aktive ederek, katalizör gibi bir iş yaparak, aksi takdirde başlaması zor olan reaksiyonları kolaylaştırmasına izin verir. Bunlar şu anda pahalı paladyum katalizörlerine dayanan reaksiyonlardır.
Bilim insanları, elektridi iki piridin halkasını - bir nitrojen atomu içeren karbon halkalarını - birleştiren bir reaksiyonda başarıyla kullandılar. Şimdi, elektridin, bir benzen halkasındaki bir hidrojen atomunu değiştirmek gibi diğer yaygın organik reaksiyonlara yardımcı olup olamayacağını inceliyorlar. Bu ikameler zordur çünkü benzen halkası karbonu ile bağlı hidrojen arasındaki bağ çok kararlıdır.
Hala çözülmesi gereken sorunlar var: Ortu'nun kalsiyum elektridi, sanayide kullanıma elverişsiz derecede hava ve suya duyarlıdır. Şimdi daha kararlı bir alternatif arıyor, bu da ilaç moleküllerini sentezlemek için özellikle ilaç endüstrisinde faydalı olabilir, çünkü Ortu'nun gösterdiği reaksiyon türleri yaygındır.
Çekirdekte Hâlâ Sorular Var
Elektridler hakkında, Dünya'nın iç çekirdeğinin kesin olarak bir tane içerip içermediği de dahil olmak üzere çözülmemiş birçok gizem bulunmaktadır. Kim ve işbirlikçileri, nükleer çekici olmayan alanların kanıtlarını bulmak için demir ağının simülasyonlarını kullandılar, ancak sonuçlarının yorumlanması hala tartışmalı. Sodyum ve periyodik tablonun 1. ve 2. gruplarındaki diğer metaller - lityum, kalsiyum ve magnezyum gibi - gevşek bağlı dış elektronlara sahiptir. Bu, elektronların nükleer çekici olmayan alanlara kaymasını kolaylaştırır ve elektridler oluşturur. Ancak demir, dış elektronlarına daha fazla çekme gücü uygular, bu da basınç altındaki elektron itimindeki artışı daha az anlamlı hale getirir ve dolayısıyla elektrid oluşumuna geçişi zorlaştırır.
Elektridler hala az bilinen ve az çalışılan malzemelerdir. Bir malzemenin ne zaman elektrid olacağını tahmin etmek için henüz bir teori veya model bulunmamaktadır. 'Çünkü elektridler kimyasal olarak tipik değildir, kimyasal sezginizi kullanamazsınız.'
Bazı tahminlere yardımcı olabilecek kurallar aramaya devam eden araştırmacılar, bilinen 40.000 malzeme taramasından elektridler bulmada bazı başarılar elde etti. Şimdi daha fazlasını bulmak için yapay zekayı kullanıyor. 'Bu, farklı özellikler arasında karmaşık bir etkileşimdir ve bazen hepsi birbirine bağlı olabilir. İşte makine öğrenmesi burada gerçekten yardımcı olabilir.'
Anahtar, herhangi bir modeli eğitmek için güvenilir verilere sahip olmaktır. Araştırmacılar, şimdiye kadar deneysel olarak doğrulanmış az sayıda elektrid yapısından elde edilen gerçek verilere sahipler, ancak aynı zamanda malzemelerin içindeki elektron yoğunluğunun yüksek çözünürlüklü simülasyonlarını oluşturmak için kullanılan kuantum teorisine dayalı modellemeden de yararlanıyorlar. Bunu yapabildikleri kadar çok malzeme için yapıyorlar; gerçek dünya deneyleriyle doğrulanacak olanlar, hapsolmuş elektron alanlarının karakteristik olan ayrık yüksek elektron yoğunluğu ceplerine sahip daha fazla malzeme adayını belirlemek için bir yapay zeka modelini eğitmek için kullanılacaktır. Potansiyel, muazzamdır.
