Od niemal stu lat geolodzy zastanawiają się nad tajemnicą braku „lżejszych” pierwiastków na Ziemi. W porównaniu do ilości w Słońcu i meteorytach, Ziemi brakuje wodoru, węgla, azotu i siarki, a także gazów szlachetnych jak hel – w niektórych przypadkach brak ten sięga ponad 99 proc. Część tej różnicy można wytłumaczyć stratami, jakie pochłonął Układ Słoneczny podczas formowania się naszej planety, ale badacze od dawna podejrzewają inne mechanizmy.
Tajemnica wnętrza planety
Niedawno zespół naukowców zaproponował możliwe rozwiązanie tej zagadki: brakujące pierwiastki mogą być ukryte głęboko w stałym jądrze wewnętrznym Ziemi. Przy ekstremalnym ciśnieniu – około 360 gigapaskali, czyli 3,6 miliona razy większym niż ciśnienie atmosferyczne – żelazo zachowuje się w nietypowy sposób, przyjmując formę tzw. elektridu. To mało znany stan materiału, zdolny do „wyłapywania” lekkich pierwiastków.
Odkryto ogromną strukturę głęboko pod Bermudami. Zmienia geologię Ziemi
Według współautora badania, fizyka Ducka Young Kima z Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research w Szanghaju, proces wchłaniania tych pierwiastków mógł zachodzić stopniowo przez kilka miliardów lat – i być może trwa do dziś. Tłumaczyłoby to obserwacje sejsmiczne wskazujące, że gęstość jądra wewnętrznego jest o 5-8 procent niższa, niż wynikałoby to z obecności samego metalu. Badanie ukazało się w „Knowable Magazine”.
Polska ma czego szukać w kosmosie
Elektridy nie tylko mogą pomóc w rozwiązaniu planetarnej zagadki, ale też dają się dziś wytwarzać w warunkach pokojowych z różnych pierwiastków. Ponieważ zawierają łatwo oddające elektrony, świetnie nadają się do roli katalizatorów – substancji przyspieszających reakcje chemiczne.
Wnętrze Ziemi dzieli się na płaszcz górny, dolny oraz jądro zewnętrzne i wewnętrzne (wizualizacja). Brakujące pierwiastki miałyby się kryć w tym najgłębiej położonym. © Adobe Stock
Te niezwykłe materiały, w których elektrony nie krążą wokół atomów, lecz działają jak samodzielne, uwięzione w strukturze kryształu cząstki (aniony), działają jak „magazyny” luźnych elektronów, co czyni je świetnymi, wydajnymi katalizatorami. Elektridy mogą też tłumaczyć, dlaczego pewne pierwiastki są rzadkie na Ziemi – mogły ulec przemianom pod wpływem tych specyficznych warunków.
Są wyjątkowo atrakcyjne jako katalizatory, ponieważ ich uwięzione elektrony mogą być łatwo przekazywane innym cząsteczkom, ułatwiając zrywanie i tworzenie wiązań chemicznych. Aby jednak były użyteczne przemysłowo, muszą działać w normalnych warunkach.
Praktyczne zastosowania
Jednym z przełomowych materiałów okazał się mayenit – odkryty przypadkiem w 2003 roku podczas badań nad cementem. Po odpowiedniej obróbce struktura mayenitu zatrzymuje elektrony w nanometrowych „klatkach”, co nadaje mu wyjątkowe właściwości katalityczne. Technologia ta została już skomercjalizowana, a nowe instalacje pozwalają ograniczyć emisję CO2 o tysiące ton rocznie, torując drogę do bardziej zrównoważonej produkcji nawozów.
Ukryty świat Antarktydy. Naukowcy: pod lodem są całe doliny, jeziora i góry
Mayenit odegrał kluczową rolę w opracowaniu bardziej energooszczędnej metody syntezy amoniaku. Japońscy naukowcy opracowali metodę, która zmniejsza zużycie energii o 20 proc. w porównaniu do tradycyjnej produkcji amoniaku. Kolejnym przykładem jest zaskakujące odkrycie elektridy w formie kompleksu wapnia i całkowicie organicznych cząsteczek.
Lista znanych elektridów wciąż się wydłuża. W 2024 roku naukowcy odkryli stabilny w temperaturze pokojowej elektrid oparty na jonach wapnia i dużych cząsteczkach organicznych. Choć nie przewodzi on prądu, umożliwia przeprowadzanie trudnych reakcji chemicznych bez użycia drogich katalizatorów, takich jak pallad. Materiały te mogą znaleźć zastosowanie w syntezie farmaceutyków, technologii kosmicznej, a nawet w unieszkodliwianiu odpadów radioaktywnych.
Wciąż więcej pytań niż odpowiedzi
Mimo postępów wiele kwestii pozostaje otwartych – w tym ta najważniejsza: czy jądro Ziemi rzeczywiście zawiera elektrid? Część naukowców uważa interpretację symulacji za kontrowersyjną, zwłaszcza że żelazo trudniej oddaje elektrony niż metale alkaliczne.
Nie wiedzieliśmy o niej. To tajemnicza struktura wewnątrz Ziemi
Brakuje też uniwersalnej teorii przewidującej, kiedy dany materiał stanie się elektridem. Badacze coraz częściej sięgają więc po sztuczną inteligencję, by analizować dziesiątki tysięcy znanych struktur i wskazywać najbardziej obiecujące kandydaty. Potencjał tych badań – jak podkreślają naukowcy – jest ogromny. Odkrycie kolejnych materiałów tego typu zapowiada przełom w wielu dziedzinach przemysłu i nauki.
Misja AI © Cyfrowi Bezpieczni