Учёные предсказали и обнаружили суператомы-соединения

Материаловеды университета Пенсильвании (Penn State) предположили, что некоторые комбинации атомов могут иметь такие же "электронные подписи", что и другие элементы периодической таблицы Менделеева. Чуть позже учёные подтвердили догадку на практике и даже нашли необычным "заменителям" практическое применение.

Сравнение данных, полученных при изучении платины и "изоэлектронного" ей карбида вольфрама, показало, что перед учёными практически братья-близнецы (фото Castleman lab, Penn State University).

Прежде чем рассказывать о нынешнем событии, необходимо напомнить о суператомах (superatom) – кластерах атомов одного химического элемента, обладающих свойствами другого. Мы рассказывали об открытии суператомов алюминия, которые, собираясь в количестве 13 штук, "мимикрируют" под йод, 14 атомов в кластере ведут себя уже как бериллий. Чуть позже физики создали суператомы серебра.

Группа Уэлфорда Каслмана (A. Welford Castleman, Jr.) пошла ещё дальше и распространила идею суператомов на химические соединения. Поначалу учёные предположили, что молекула монооксида титана (TiO) будет равноценна никелю (по электронной оболочке), монооксида циркония (ZrO) — палладию, карбида вольфрама (WC) — платине.

"Выглядело всё так, будто мы можем предсказывать, какие комбинации элементов необходимы и какие суператомы они будут образовывать. Достаточно взглянуть в периодическую таблицу, чтобы увидеть, что монооксид титана образует суператом никеля, — поясняет в пресс-релизе университета Уэлфорд.

- Начнём с титана, имеющего на внешней оболочке четыре электрона. Перешагнув на шесть элементов вправо (именно столько "внешних" электронов у кислорода), мы попадаем на никель, обладающий десятью электронами на внешней оболочке. Комбинация из четырёх и шести электронов образует оболочку, изоэлектронную оболочке никеля". Поначалу материаловеды предположили, что это лишь совпадение, а позже решили, что его необходимо проверить на практике.

Каслман и двое его аспирантов исследовали образцы материалов при помощи фотоэлектронной спектроскопии, после чего сравнили полученные данные. Использованный метод позволяет измерить энергию, необходимую для удаления электронов с различных энергетических уровней. Оказалось, что во всех трёх парах (TiO и никель, ZrO и палладий, WC и платина) энергии, необходимые для "срыва" электронов с внешних слоёв молекул и атомов, совпадают. (Подробности описаны в статье авторов, опубликованной в открытом доступе в PNAS.)

Сравнение графиков энергетических пиков и "фотографий" излучающих электроны атома никеля (справа сверху) и молекулы монооксида титана (справа снизу). Подобия видны с первого взгляда (фото Castleman lab, Penn State University).

Возможно, данное явление не является общим для всей периодической таблицы и охватывает лишь её часть. Сейчас учёные исследуют переходные металлы. Чуть позже группа Каслмана планирует выяснить, обладают ли суператомы теми же химическими свойствами, что и их одноэлементные аналоги.

Если удастся подтвердить последнее, то перед материаловедами откроется совершенно новая область науки, в которой вместо дорогостоящих элементов (таких как платина) будут использоваться более дешёвые изоэлектронные аналоги. "Платина часто применяется как катализатор, если производители заменят её карбидом вольфрама, будет сэкономлено значительное количество денег", — добавляет Уэлфорд.

Точно так же можно было бы сократить расходы, поменяв палладий на монооксид циркония, который стоит в 500 раз дешевле. "Наше открытие является захватывающим как с научной, так и с практической точки зрения", — восхищается Каслман.