Yaklaşık bir asırdır jeoloji bilimcileri, Dünya'nın hafif elementlerinin nereye gittiği sorusuyla boğuşuyor. Güneş ve bazı meteoritlerdeki miktarlarla karşılaştırıldığında, Dünya'da hidrojen, karbon, azot ve kükürt gibi elementlerin yanı sıra helyum gibi soy gazların da önemli ölçüde daha az olduğu biliniyor. Hatta bazı durumlarda bu oran %99'dan fazla azalmış durumda.
Bu eksikliğin bir kısmı, gezegenimizin oluşumu sırasında uzaya yayılan kayıplarla açıklansa da, araştırmacılar uzun süredir başka bir açıklamanın da var olabileceğine inanıyordu.
Son zamanlarda bir grup bilim insanı, bu elementlerin Dünya'nın katı iç çekirdeğinde derinlerde saklanıyor olabileceğine dair olası bir açıklama sundu. Aşırı yüksek basınç altında (atmosfer basıncının 3.6 milyon katı olan 360 gigapaskal), demir tuhaf bir davranış sergileyerek, hafif elementleri emebilen ve daha önce pek bilinmeyen bir metal formu olan 'electride' haline geliyor.
Çalışmanın yazarlarından, yüksek basınç bilim ve teknoloji alanında araştırmalar yapan Duck Young Kim, bu hafif elementlerin emiliminin milyarlarca yıl boyunca kademeli olarak gerçekleşmiş olabileceğini ve hatta bugün de devam ediyor olabileceğini belirtiyor. Bu durum, Dünya içinden geçen sismik dalgaların, sadece metalden oluştuğu varsayıldığında beklenenden %5 ila %8 daha düşük bir iç çekirdek yoğunluğu öneren hareketlerini açıklayabilir.
Electride'lar, birçok açıdan dikkat çekici bir gelişme olarak öne çıkıyor. Sadece gezegenin gizemini çözmekle kalmıyor, aynı zamanda artık oda sıcaklığı ve basıncında çeşitli elementlerden üretilebiliyorlar. Tüm electrider, diğer moleküllere kolayca reaktif elektronlar bağışlama kaynağı içerdiğinden, zorlu reaksiyonları hızlandıran ideal katalizörler ve diğer yardımcı maddeler olarak öne çıkıyor.
Electride'lardan biri, gübrelerin ana bileşeni olan amonyağın üretiminde katalizör olarak zaten kullanılıyor. Geliştiricileri, bu yöntemin geleneksel amonyak üretimine göre %20 daha az enerji kullandığını belirtiyor. Kimyagerler ise, farmasötik ürünlerin daha ucuz ve daha çevre dostu yöntemlerle üretilmesine olanak tanıyacak yeni electrider keşfediyor.
Bugünün zorluğu, bu ilgi çekici malzemeleri daha fazla bulmak ve oluşumlarını yöneten kimyasal kuralları anlamaktır.
Yüksek Basınç Altındaki Electride'lar
Çoğu katı madde, atomların düzenli kafeslerinden oluşurken, electrider farklılık gösterir. Bu kafeslerde, kendi başlarına bulunan elektron cepleri mevcuttur.
Normal metallerde, belirli bir atoma bağlı olmayan, atomlar arasında serbestçe hareket edebilen ve genellikle 'elektron denizi' olarak adlandırılan dış, yani değerlik elektronları bulunur. Bu durum, metallerin elektriği neden ilettiğini açıklar.
Electrider'ın dış elektronları da belirli bir atomun yörüngesinde dönmez, ancak serbestçe hareket edemezler. Bunun yerine, 'nükleer çekici olmayan alanlar' olarak adlandırılan atomlar arasındaki boşluklarda hapsolurlar. Bu da bu malzemelere eşsiz özellikler kazandırır. Dünya'nın çekirdeğindeki demir örneğinde, negatif elektron yükleri, süper yüksek basınçlarda oluşan nükleer çekici olmayan alanlarda daha hafif elementleri stabilize eder. Bu elementler metale nüfuz ederek, kayboldukları yerleri açıklayabilir.
Yüksek basınç altında electride oluşturan ilk metalin, 2009'da rapor edilen sodyum olduğu belirtiliyor. 200 gigapaskal basınç altında (atmosfer basıncının 2 milyon katı), parlak, yansıtıcı, iletken bir metalden şeffaf, camsı, yalıtkan bir malzemeye dönüşür. Bu bulgunun oldukça tuhaf olduğu ifade ediliyor. Erken teoriler, yüksek basınç altında sodyumun dış elektronlarının atomlar arasında daha da serbest hareket edeceğini öngörmüştü.
İşlerin farklılaştığının ilk işareti, 1990'ların sonlarında bilim insanlarının kuantum teorisi kurallarına dayanan katı maddeleri modellemek için hesaplamalı simülasyonlar kullandığında geldi. Bu kurallar, elektronların sahip olabileceği enerji seviyelerini ve dolayısıyla atomlardaki olası konumlarını tanımlar.
Katı sodyumun simülasyonları, yüksek basınçlarda sodyum atomlarının birbirine yaklaştıkça, her atomun yörüngesindeki elektronların da birbirine yaklaştığını gösterdi. Bu, aralarındaki itici kuvvetlerin artmasına neden olur. Bu durum, her atomun çekirdeği etrafındaki her elektronun göreli enerjilerini değiştirerek, elektron konumlarının yeniden düzenlenmesine yol açar.
Sonuç olarak, atomlar arasında serbestçe hareket edebilen yörüngeleri işgal etmek yerine, yörüngeler elektronları nükleer çekici olmayan alanlara zorlayan yeni bir şekil alır. Elektronlar bu alanlarda hapsolduğu için katı, metalik özelliklerini kaybeder.
Bu teorik çalışmaya ek olarak, araştırmacılar aşırı basınçlarda sodyum electridesi için deneysel kanıt bulmak amacıyla işbirliği yaptı. Sodyum kristalleri elmaslar arasında sıkıştırılarak, metal yapısındaki elektron yoğunluğu X-ışını difraksiyonu kullanılarak haritalandırıldı. Bu, elektronların gerçekten de sodyum atomları arasındaki öngörülen nükleer çekici olmayan alanlarda bulunduğu doğrulandı.
Katalizörler İçin İdeal Bir Malzeme
Electrider, kimyasal reaksiyonları hızlandıran ve gereken enerjiyi düşüren maddeler olan katalizörler için ideal adaylardır. Bunun nedeni, nükleer çekici olmayan alanlardaki izole elektronların bağlar oluşturmak ve kırmak için bağışlanabilmesidir. Ancak faydalı olabilmeleri için ortam koşullarında işlev görmeleri gerekir.
Son 10 yılda, metal atomları içeren inorganik bileşiklerden veya organik moleküllerden yapılan birkaç kararlı electride keşfedildi. Bunlardan en önemlilerinden biri olan mayenit, bir tür çimento türünü araştıran malzeme bilimci Hideo Hosono tarafından 2003 yılında sürpriz bir şekilde keşfedildi. Mayenit, içerisinde oksijen iyonları barındıran, birkaç nanometre genişliğinde 'kafes' adı verilen çok küçük gözeneklere sahip bir kalsiyum alüminat oksittir. Kalsiyum veya titanyum gibi metal buharları yüksek sıcaklıkta üzerinden geçirildiğinde, oksijen çıkarılarak sadece bu alanlarda hapsolmuş elektronlar bırakılır; bu da bir electride oluşturur.
Yüksek basınçlı metal electrider'ın iletkenlerden yalıtkanlara geçişinin aksine, mayenit bir yalıtkan olarak başlar. Ancak şimdi, hapsolmuş elektronları kafes alanları arasında hareket edebilir (kuantum tünelleme adı verilen bir süreçle) ve bu da onu alüminyum veya gümüş gibi bir metalden 100 ila 1000 kat daha az iletken olsa da, iletken hale getirir. Ayrıca, reaksiyonlarda bağ oluşturmaya ve kırmaya yardımcı olmak üzere elektron bağışlayabilen mükemmel bir katalizör haline gelir.
2011 yılına gelindiğinde Hosono, amonyak sentezi için daha yeşil ve daha verimli bir katalizör olarak mayenit geliştirmeye başlamıştı. Gübreler için büyük ölçüde kullanılan yılda 170 milyon metrik tondan fazla amonyak, metal oksitlerin yüksek basınç ve sıcaklıkta hidrojen ve azot gazlarının reaksiyona girmesini kolaylaştırdığı Haber-Bosch süreciyle üretilir. Bu, enerji yoğun ve pahalı bir süreçtir; Haber-Bosch tesisleri dünya enerji tüketiminin yaklaşık %2'sini oluşturur.
Haber-Bosch'ta katalizörler, gazları yüzeylerine bağlar ve iki nitrojen atomunu nitrojen gazında bir arada tutan güçlü üçlü bağın yanı sıra hidrojen gazındaki bağları kırmaya yardımcı olmak için elektron bağışlar. Mayenit, güçlü elektron verme yeteneğine sahip olduğundan, Hosono, mayenitin bunu daha iyi yapabileceğini düşünmüştür. Hosono'nun reaksiyonunda, mayenit gazları bağlamaz, ancak rutenyum adı verilen bir metalin nanopartikülleri için bir destek yatağı olarak görev yapar. İlk olarak, nanopartiküller nitrojen ve hidrojen gazlarını emer. Ardından mayenit, rutenyuma elektron bağışlar. Bu elektronlar, nitrojen ve hidrojen moleküllerine akarak bağlarını kırmalarını kolaylaştırır. Böylece amonyak, Haber-Bosch'un 400 ila 500 °C ve 100 ila 400 atmosferde gerçekleştiği ortamlara göre, 300 ila 400 °C ve 50 ila 80 atmosfer gibi daha düşük bir sıcaklıkta ve basınçta oluşur.
2017'de Hosono'nun katalizörünü ticarileştirmek için Tsubame BHB şirketi kuruldu ve 2019'da ilk pilot tesis açılarak yılda 20 metrik ton amonyak üretildi. Şirket daha sonra Japonya'da daha büyük bir tesis açtı ve ülkenin fosil yakıt bazlı gübre üretiminin bir kısmını değiştirmek için Brezilya'da yılda 20.000 tonluk yeşil amonyak tesisi kuruyor. Şirket, bunun yıllık 11.000 ton CO2 emisyonunu önleyeceğini tahmin ediyor - bu da yaklaşık 2.400 aracın yıllık emisyonuna eşittir.
Hosono'ya göre mayenit katalizörü için başka uygulamalar da mevcut. Bunlar arasında CO2'nin metan, metanol veya daha uzun zincirli hidrokarbonlar gibi kullanışlı kimyasallara daha düşük enerjiyle dönüştürülmesi de yer alıyor. Diğer bilim insanları, mayenitin kafes yapısının, nükleer santrallerdeki radyoaktif izotop atıklarını hareketsiz hale getirmek için de uygun olduğunu öne sürdü: Elektronlar iyot ve bromür gibi negatif iyonları yakalayabilir ve onları kafeslere hapsedebilir.
Mayenit, uzaydaki uydular için düşük sıcaklıklı bir itici sistem olarak bile incelenmiştir. 600 °C'ye ısıtıldığında, hapsolmuş elektronları kafeslerden dışarı fışkırarak itici güç sağlar.
Organik Electrider'lar
Electride oluşturan malzemelerin listesi giderek artıyor. 2024 yılında, Leicester Üniversitesi'nden bir kimya ekibi, kalsiyum iyonlarının büyük organik moleküllerle çevrelendiği, 'koordinasyon kompleksi' olarak bilinen, oda sıcaklığında kararlı başka bir electride keşfetti.
Bu keşif sırasında mekanik kimya olarak bilinen bir yöntem kullanıldı: bir öğütme kavanozuna bir madde konulup çok sert sallanarak reaksiyon için enerji sağlandı. Ancak şaşırtıcı bir şekilde, eklenen potasyumun elektronları kalsiyum iyonuna bağlanmadı. Bunun yerine, sistemde bulunan ve iki metal arasındaki bölgelerde hapsolmuş elektronlar oluştu.
Mayenitin aksine, bu electride iletken değildir; hapsolmuş elektronları sıçramaz. Ancak, aksi takdirde başlaması zor olan reaksiyonları, reaktif olmayan bağları aktive ederek kolaylaştırmasına olanak tanır. Bu, şu anda pahalı paladyum katalizörlerine dayanan bir işlemdir.
Bilim insanları, electride'ı iki piridin halkasını (bir nitrojen atomu içeren karbon halkaları) birleştiren bir reaksiyonda başarıyla kullandılar. Şu anda, electride'ın benzen halkasındaki bir hidrojen atomunu ikame etmek 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: Bu kalsiyum electride, endüstriyel kullanım için fazla hava ve suya duyarlıdır. Araştırmacılar şu anda daha kararlı bir alternatif arıyorlar; bu alternatif, özellikle Ortu'nun gösterdiği reaksiyon türlerinin yaygın olduğu ilaç endüstrisinde ilaç moleküllerini sentezlemek için çok faydalı olabilir.
Çekirdekte Hala Sorular Var
Electrider'larla ilgili, Dünya'nın iç çekirdeğinin kesinlikle bir electride içerip içermediği de dahil olmak üzere birçok çözülmemiş gizem bulunmaktadır. Kim ve işbirlikçileri, nükleer çekici olmayan alanlar için kanıt bulmak amacıyla demir kafes simülasyonları kullandı, ancak sonuçlarının yorumlanması hala tartışmalı olarak değerlendiriliyor.
Periyodik tablodaki Grup 1 ve Grup 2 metalleri, yani lityum, kalsiyum ve magnezyum gibi elementler, gevşek bağlı dış elektronlara sahiptir. Bu, elektronların nükleer çekici olmayan alanlara kaymasını ve electrider oluşturmasını kolaylaştırır. Ancak demir, dış elektronları üzerinde daha fazla çekme gücü uygular ve bu elektronlar farklı şekilli yörüngelerde bulunur. Bu durum, basınç altındaki elektron itilmesindeki artışı daha az önemli hale getirir ve bu da electride oluşumuna geçişi zorlaştırır.
Electrider'ların hala az bilinen ve az incelenen malzemeler olduğu belirtiliyor. Bir malzemenin ne zaman electride olacağını tahmin etmek için henüz bir teori veya model bulunmamaktadır. Bu malzemelerin kimyasal olarak tipik olmaması nedeniyle, kimyasal sezgileriyle bu konuda bir yaklaşım sergilemek mümkün değildir.
Araştırmacılar, tahminlere yardımcı olabilecek kurallar aramaya başladı ve 40.000 bilinen malzeme üzerinden yapılan bir taramada electrider bulmada bazı başarılar elde etti. Şimdi daha fazlasını bulmak için yapay zekayı kullanıyorlar. Bu durum, farklı özellikler arasındaki karmaşık bir etkileşimdir ve bazen birbirine bağlı olabilir. İşte makine öğreniminin burada gerçekten yardımcı olabileceği yer burasıdır.
Modeli eğitmek için güvenilir verilere sahip olmak anahtardır. Araştırma ekibinin yalnızca şimdiye kadar deneysel olarak doğrulanmış birkaç electride yapısından elde edilen gerçek verilere sahip olmasına rağmen, aynı zamanda malzeme içindeki elektron yoğunluğunun yüksek çözünürlüklü simülasyonlarını oluşturmak için kullanılan kuantum teorisine dayalı modellemelerden de yararlanıyorlar. Bunu yapabildikleri kadar çok malzeme için yapıyorlar; gerçek dünya deneyleriyle doğrulanacak olanlar, hapsolmuş elektron bölgelerinin karakteristik bir özelliği olan ayrık yüksek elektron yoğunluğu ceplerine sahip, electrider olma olasılığı yüksek daha fazla malzemeyi belirlemek için bir yapay zeka modelini eğitecektir. Potansiyelinin muazzam olduğu belirtiliyor.
