Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     Siemens  n-tv 
Datenbankrecherche:

Fachgebiet (optional):

 

Oxygen molecule survives to enormously high pressures: RUB publication in Physical Review Letters

30.01.2012
RUB researcher calculates stability thresholds and structures of solid oxygen / Physical Review Letters: Oxygen as insulator, semiconductor, and metal

Anzeige


Structures of solid oxygen under high pressure: At 1.9 TPa, oxygen polymerizes and assumes a square spiral-like structure, which is semi-conducting (top). With increasing pressure, the polymer exhibits metallic properties (zig-zag chain-like phase, mid). Then, the structure changes into a metallic layer phase (bottom). The coloured areas represent the charge density in one layer of the structure. Figure: Jian Sun

Using computer simulations, a RUB researcher has shown that the oxygen molecule (O2) is stable up to pressures of 1.9 terapascal, which is about nineteen million times higher than atmosphere pressure. Above that, it polymerizes, i.e. builds larger molecules or structures.

“This is very surprising” says Dr. Jian Sun from the Department of Theoretical Chemistry. “Other simple molecules like nitrogen or hydrogen do not survive such high pressures.” In cooperation with colleagues from University College London, the University of Cambridge, and the National Research Council of Canada, the researcher also reports that the behaviour of oxygen with increasing pressure is very complicated. It's electrical conductivity first increases, then decreases, and finally increases again. The results are published in Physical Review Letters.

Weaker bonds, greater stability

The oxygen atoms in the O2 molecule are held together by a double covalent bond. Nitrogen (N2), on the other hand, possesses a triple bond. “You would think that the weaker double bond is easier to break than the triple bond and that oxygen would therefore polymerize at lower pressures than nitrogen” says Sun. “We found the opposite, which is astonishing at first sight.”

Coming together when pressure increases

However, in the condensed phase when pressure increases, the molecules become closer to each other. The research team suggests that, under these conditions, the electron lone pairs on different molecules repel one another strongly, thus hindering the molecules from approaching each other. Since oxygen has more lone pairs than nitrogen, the repulsive force between these molecules is stronger, which makes polymerization more difficult. However, the number of lone pairs cannot be the only determinant of the polymerization pressure. “We believe that it is a combination of the number of lone pairs and the strength of the bonds between the atoms”, says Sun.

The many structures of oxygen

At high pressures, gaseous molecules such as hydrogen, carbon monoxide, or nitrogen polymerize into chains, layers, or framework structures. At the same time they usually change from insulators to metals, i.e. they become more conductive with increasing pressure. The research team, however, showed that things are more complicated with oxygen. Under standard conditions, the molecule has insulating properties. If the pressure increases, oxygen metallises and becomes a superconductor. With further pressure increase, its structure changes into a polymer and it becomes semi-conducting. If the pressure rises even more, oxygen once more assumes metallic properties, meaning that the conductivity goes up again. The metallic polymer structure finally changes into a metallic layered structure.

Inside planets

“The polymerization of small molecules under high pressure has attracted much attention because it helps to understand the fundamental physics and chemistry of geological and planetary processes” explains Sun. “For instance, the pressure at the centre of Jupiter is estimated to be about seven terapascal. It was also found that polymerized molecules, like N2 and CO2, have intriguing properties, such as high energy densities and super-hardness.” Dr. Jian Sun joined the RUB-research group of Prof. Dr. Dominik Marx as a Humboldt Research Fellow in 2008 to work on vibrational spectroscopy of aqueous solutions. In parallel to this joint work in "Solvation Science" he developed independent research interests into high pressure chemical physics as an Early Career Researcher.

Bibliographic record

J. Sun, M. Martinez-Canales, D.D. Klug, C.J. Pickard, R.J. Needs (2012): Persistence and eventual demise of oxygen molecules at terapascal pressures, Physical Review Letters, doi: 10.1103/PhysRevLett.108.045503

Further information

Dr. Jian Sun, Department of Theoretical Chemistry, Faculty of Chemistry and Biochemistry at the Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel.: +49/234/32-22121
jian.sun@theochem.rub.de

Click for more

Department of Theoretical Chemistry
http://www.theochem.rub.de/home.en.html

Editorial journalist
Dr. Julia Weiler

Dr. Josef König | Quelle: Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen: www.theochem.rub.de/home.en.html
www.ruhr-uni-bochum.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Trennung von Blutzellen im Mikrofluss
24.05.2012 | Universität Augsburg

nachricht Nomads of the Galaxy
24.05.2012 | Kavli Foundation

Alle Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>


Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Im wahrsten Sinne „Spitzenforschung“: IPHT-Forscher untersuchen Eiweißfasern mit größter Genauigkeit


Krankheiten wie Parkinson, Alzheimer und bestimmte Krebsformen gehen auf eine fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen im Körper zurück.

Wissenschaftlern des Instituts für Photonische Technologien (IPHT) in Jena ist es erstmals gelungen, Proteinstrukturen auf sub-molekularer Ebene nachzuweisen und spektroskopisch zu analysieren. Ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Krankheitsursachen.

„Bis heute hat man nicht genau verstanden, was die fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen, zum Beispiel im Zusammenhang mit Alzheimer, ...

Im Focus: Widerspenstiges Quasiteilchen erzeugt


Die Quantenphysik beschreibt physikalische Vorgänge in Festkörpern und anderen Vielteilchensystemen auch mit Hilfe von Quasiteilchen.

Innsbrucker Physikern um Rudolf Grimm ist es nun erstmals gelungen, ein neues Quasiteilchen - ein repulsives Polaron - in einem Quantengas experimentell zu erzeugen. Die Forscher berichten darüber in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift Nature.

Ultrakalte Quantengase sind ein ideales Experimentierfeld, um physikalische Phänomene in Festkörpern zu simulieren. Unter streng kontrollierten Bedingungen ...

Im Focus: Licht lässt Partikel wachsen - Forscher entdecken neuen Mechanismus in der Atmosphäre


Licht lässt die Partikel in der Atmosphäre wachsen. In einem Experiment hat ein internationales Forscherteam erstmals einen neuen Mechanismus nachweisen können, bei dem Partikel durch Licht größer werden und der damit Einfluss auf die Wolkenbildung und das Klima hat.

Photokatalytische Reaktionen können zu einer schnellen Bindung von nicht kondensierenden flüchtigen organischen Kohlenwasserstoffen (VOCs) auf der Oberfläche der Partikel führen. Unter solchen Bedingungen nehme die Größe und Masse der Partikel schnell zu, schreiben die Wissenschaftler im renommierten Fachblatt PNAS.

Die Ergebnisse des Laborexperimentes könnten Effekte erklären, die bisher schon bei Feldkampagnen ...

Im Focus: Abschreckung: Tabak signalisiert angreifenden Zikaden Verteidigungsbereitschaft


Ähnlich wie blutsaugende Insekten prüfen Pflanzenschädlinge ihren Wirt auf Abwehrsignale, bevor sie anfangen zu fressen

Pflanzen bilden wenige Minuten nach Angriff eines Fraßfeindes Jasmonsäure, ein Hormon, das die Verteidigung gegen Insekten in Gange setzt mit der Folge, dass giftige Stoffe wie Nikotin oder Verdauungshemmer in den Blättern akkumulieren.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie, Jena, haben jetzt herausgefunden, dass Zwergzikaden die Verteidigungsbereitschaft von Tabakpflanzen aufspüren können. ...

Im Focus: Erbgutkopie reist im Protein-Koffer


Wissenschaftlern vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn ist es erstmals gelungen, den Transport eines wichtigen Informationsträgers in biologischen Zellen praktisch unmodifiziert in Echtzeit zu filmen.

Die Studie zeigt, wie die so genannte Boten-RNA die Zellkernhülle überwindet und vom Zellkern in das Zytoplasma gelangt. Diese Arbeit ist nun in dem renommierten Journal „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA“ (PNAS) publiziert.

Der Bauplan aller Lebewesen ist in ihrem Erbgut gespeichert. Dieses lagert bei höheren ...

Alle Focus-News des innovations-reports >>>

Anzeige

B2B Suche
Produkt / Dienstleistung
Firma / Organisation

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Aktuell

Energieversorger vor dem Umbruch

24.05.2012 | Studien Analysen

Stem-cell-growing surface enables bone repair

24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie

Im wahrsten Sinne „Spitzenforschung“: IPHT-Forscher untersuchen Eiweißfasern mit größter Genauigkeit

24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie

VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Veranstaltungen

NieKE Themenforum: Ökonomie - Tierschutz - Lebensmittelsicherheit

24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten

Nachhaltigkeit in der Schifffahrt: Werte vs. Wertschöpfung

24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten

Wissenschaft und Öffentlichkeit

24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten

FindAndHelp