برای نزدیک به یک قرن، زمین شناسان نمی توانستند به یک سوال پاسخ دهند: عناصر سبک زمین کجا رفتند؟ در مقایسه با خورشید و برخی شهاب سنگ ها، زمین حاوی هیدروژن، کربن، نیتروژن و گوگرد کمتر و همچنین گازهای کمیاب مانند هلیوم است. پورتال arstechnica.com در مورد رمز و راز الکترودها صحبت می کند – ماده ای با پتانسیل زیاد که به ندرت مورد مطالعه قرار می گیرد.
اخیراً تیمی از دانشمندان مرکز تحقیقات پیشرفته شانگهای برای علوم و فناوری فشار بالا توضیحی ممکن برای این معما ارائه کرده اند. در واقع، عناصر ممکن است در اعماق هسته جامد درونی زمین پنهان شده باشند. در فشارهای بسیار بالا (3.6 میلیون برابر بیشتر از فشار اتمسفر)، خواص آهن تغییر می کند و به الکترود تبدیل می شود، شکل فلزی که کمی مطالعه شده است و می تواند عناصر سبک تری را جذب کند.
به گفته کارشناسان شانگهای، فرآیند جذب این عناصر ممکن است به تدریج در طی چندین میلیارد سال اتفاق افتاده باشد – و ممکن است تا امروز ادامه داشته باشد. این توضیح می دهد که چرا حرکت امواج لرزه ای در سراسر زمین نشان می دهد که هسته سیاره 5-8٪ کمتر از آنچه از فلزات انتظار می رود چگالی دارد.
اما الکترود دقیقا چیست؟ برای انجام این کار، باید ویژگی های اساسی آنها را در نظر بگیرید. در حالی که بیشتر مواد جامد از شبکههای منظم اتمها تشکیل شدهاند، الکترودها دارای حفرههای کوچکی هستند که الکترونها در آنجا قرار میگیرند.
فلزات معمولی الکترون هایی دارند که به یک اتم پیوند ندارند – به آنها خارجی می گویند. آنها می توانند آزادانه بین اتم ها حرکت کنند و به اصطلاح را تشکیل دهند. علائم الکترونیکی؛ این پدیده توضیح می دهد که چرا فلزات می توانند الکتریسیته را هدایت کنند. اما در الکترودها، الکترون های بیرونی نمی توانند آزادانه حرکت کنند – آنها در نقاطی بین اتم ها قرار دارند که جاذبه های غیر هسته ای نامیده می شوند.
و این تفاوت ظریف است که به الکترودها خواص منحصر به فردی می دهد. برای مثال، در مورد آهن در هسته زمین، بار منفی به تثبیت عناصر سبک در جاذبههای غیرهستهای که در فشارهای بسیار بالا تشکیل میشوند، کمک میکند. آنها در واقع جذب فلز می شوند که ناپدید شدن آنها را توضیح می دهد.
به گفته دانشمندان، اولین فلزی که قادر به تشکیل الکترود در فشار بالا بود، سدیم بود. در فشار 200 گیگا پاسکال (2 میلیون برابر بیشتر از فشار اتمسفر)، فلز براق، بازتابنده و رسانا را به یک ماده عایق شیشه مانند تبدیل می کند. علاوه بر این، این نتیجه پیشبینیهای اولیهای که شیمیدانها بر اساس نظریه کوانتومی در دهه 1990 انجام دادند، رد کرد. و سپس، شبیهسازیهای کامپیوتری نظری بهطور تجربی تأیید شد: در سپتامبر 2025، یک تکنگاره آزمایشی را توصیف کرد که در آن کریستالهای سدیم بین دو الماس فشرده میشدند.
یکی دیگر از ویژگی های قابل توجه الکترودها این است که آنها به عنوان کاتالیزور عالی هستند – موادی که واکنش های شیمیایی را سرعت می بخشند و مقدار انرژی مورد نیاز برای آنها را کاهش می دهند. الکترونهای جدا شده در جاذبههای غیرهستهای میتوانند پیوندهایی بین اتمها ایجاد کرده و بشکنند، اما برای اینکه چنین کاتالیزوری به واقعیت تبدیل شود، باید در شرایط عادی کار کند.
در طول 10 سال گذشته، دانشمندان تعدادی از این الکترودهای پایدار را کشف کرده اند که از ترکیبات معدنی یا مولکول های آلی حاوی اتم های فلز تشکیل شده است. شاید یکی از مهمترین مواد ماینیت باشد که به طور تصادفی در موسسه علوم توکیو در طی تحقیقات سیمان کشف شد. در سال 2011، به عنوان یک کاتالیزور کارآمدتر و سازگار با محیط زیست برای سنتز آمونیاک، یک عنصر مهم در کود، شروع به توسعه کرد. و در سال 2019 اولین کارخانه آزمایشی با تولید سالانه 20 تن آمونیاک با استفاده از ماینیت افتتاح شد.
در همان زمان، فهرست مواد بالقوه الکترود همچنان در حال رشد است. در سال 2024، شیمیدانان دانشگاه لستر در انگلستان به طور تصادفی نوع دیگری از الکترود پایدار در دمای اتاق را کشف کردند که از یون های کلسیم احاطه شده توسط مولکول های آلی بزرگ تشکیل شده بود. برخلاف ماینیت، الکتریسیته را هدایت نمی کند اما می تواند پیوندهای واکنش نداده را در واکنش های پیچیده ای فعال کند که اغلب به کاتالیزورهای گران قیمت پالادیوم نیاز دارند. فقط یک مشکل وجود دارد: الکتریک لستر به آب و هوا بسیار حساس است و در مقیاس صنعتی قابل استفاده نیست.
با این حال، بسیاری از سؤالات در مورد الکترودها بی پاسخ مانده است – از جمله احتمال وجود آنها در هسته زمین. آنها به خوبی مطالعه نشده اند. هیچ نظریه یا مدل جهانی وجود ندارد که بتواند پیش بینی کند که آیا یک ماده خاص می تواند یک الکترود تشکیل دهد یا خیر. آنها مشخصه شیمی نیستند، بنابراین شهود علمی شیمیدانان را نمی توان در مورد آنها اعمال کرد. اما الگوریتم های یادگیری ماشینی احتمالاً آنها را بهتر از انسان ها تشخیص می دهند.