Znajdź zawartość

Uczeni z Virginia Commonwealth University poinformowali o odkryciu nowej klasy superatomów, czyli stabilnych klastrów atomów, które wykazują właściwości innych pierwiastków tablicy okresowej. Wspomniane superatomy zawierają magnetyczne atomy magnezu, pierwiastku, który naturalnie nie wykazuje właściwości magnetycznych. Nowo odkryte klastry składają się z jednego atomu żelaza i ośmiu atomów magnezu. Magnez wykazuje właściwości magnetyczne dzięki obecności żelaza. Nasze badania otwierają nową drogę do nadawania właściwości magnetycznych pierwiastkom naturalnie niemagnetycznych poprzez ich połączenie z pojedynczym magnetycznym atomem. Ważnym elementem jest odkrycie, jaka kombinacja atomów prowadzi do powstania stabilnego połączenia i umożliwia zestawienie razem wielu takich pierwiastków - powiedział Shiv N. Khanna, profesor na Wydziale Fizyki. Nowy klaster wykazuje się momentem magnetycznym rzędu czterech magnetonów Bohra, czyli jest on niemal dwukrotnie większy niż moment magnetycznych atomu żelaza w stałych magnesach z tego pierwiastka. Jedynie dziewięć pierwiastków z tablicy okresowej wykazuje właściwości magnetyczne w formie ciała stałego. Takie połączenie pierwiastków, jakie znaleźliśmy, może prowadzić do znaczących postępów na polu elektroniki molekularnej, gdyż tego typu struktury umożliwiają sterowanie przepływem elektronów o konkretnej orientacji spinu, co jest bardzo pożądane np. w komputerach kwantowych. Takie molekularne urządzenia prawdopodobnie pozwolą też stworzyć gęstsze zintegrowane urządzenia, umożliwić szybsze przetwarzanie danych i zapewnić inne korzyści - mówi Khanna.

Zespół doktora Willa Castelmana z Pacific Northwest National Laboratory odkrył grupy atomów, które naśladują właściwości innych pierwiastków. Naukowcy nazwali te grupy "superatomami". Zachowują się one jak pojedyncze atomy innych pierwiastków. Superatomy mogą posłużyć do tworzenia nowych materiałów, które będą tańszymi i skuteczniejszymi katalizatorami w procesach chemicznych. Castelman wraz z zespołem wykazali, że pewne kombinacje atomów charakteryzują się takim ustawieniem elektronów, które imituje ustawienie innych pierwiastków. Dowiedziono przy okazji, że by przewidzieć, jakie pierwiastki mogą się naśladować, wystarczy rzucić okiem na tablicę okresową. Pracę rozpoczęliśmy z tlenkiem tytanu i zauważyliśmy, że TiO jest izoelektronowy (czyli ma bardzo podobną konfiguracją elektroniczną) z niklem. Zdziwiło nas to, ponieważ TiO zachowywał się jak nikiel. Myśleliśmy, że to przypadek - mówi Castelman. Uczeni postanowiliśmy przyjrzeć się innym materiałom i odkryli, że tlenek cyrkonu jest izolelektronikiem do palladu, podobnie zresztą jak węglik wolframu. Okazało się też, że wystarczy tablica okresowa i nieco arytmetyki, by określić, jak będzie wyglądało podobieństwo pierwiastków. Na przykład tytan ma cztery elektrony na zewnętrznej powłoce, a tlen atomowy ma ich sześć. Wystarczy zatem w tablicy okresowej obliczyć sześć pierwiastków w prawo od tytanu, by trafić na nikiel, który jest izoelektronowy do tlenku tytanu. Na razie schemat ten sprawdził się w przypadku niektórych metali przejściowych. Nie wiadomo, czy jest on ważny dla całej tablicy. Można zadać sobie pytanie, po co szukać zastępników dla istniejących materiałów. Odpowiedzią może być np. cena. Pallad, który jest katalizatorem w silnikach odrzutowych kosztuje 100 USD za gram. Tlenek cyrkonu, który może go zastąpić, kosztuje 0,02 USD za gram. Jest zatem 5000 razy tańszy. Inny powód to chęć uzyskania jakiegoś materiału o właściwościach innych niż typowe dla niego.

Jak uniknąć konsekwencji wyczerpania się złóż rzadkich pierwiastków? Najbardziej oczywistym rozwiązaniem wydaje się poszukiwanie substancji o podobnych właściwościach. Jak wynika z badań przeprowadzonych przez prof. A. Welforda Castlemana z Penn State University, zadanie to może być znacznie prostsze, niż się wydaje. Ponieważ wiele właściwości chemicznych pierwiastków zależy od konfiguracji tzw. powłoki walencyjnej, czyli zgrupowania elektronów najbardziej oddalonych od jądra atomu, badacz z amerykańskiej uczelni chciał sprawdzić, czy proste związki mogą posłużyć jako "elektronowe imitacje" metali. Powodzenie takiego eksperymentu oznaczałoby, że w niektórych zastosowaniach substancje te mogłyby z powodzeniem zastępować czyste metale, przynosząc w ten sposób niemałe oszczędności. W swoich badaniach prof. Castleman poszukiwał odpowiedników niklu, palladu (6. najdroższego pierwiastka świata w przeliczeniu na masę) oraz platyny (2. miejsce na tej samej liście). Właściwości analizowanych metali oraz kandydatów do ich zastąpienia porównywano dzięki spektroskopii fotoelektronowej. Metoda ta polega na ocenie ilości energii potrzebnej do oderwania elektronów z powłok walencyjnych atomów znajdujących się w różnych stanach energetycznych. Porównywalne wyniki analiz dwóch pierwiastków bądź związków mogą być w związku z tym zapowiedzią ich podobnych właściwości chemicznych. Jak wykazano na podstawie przeprowadzonych analiz, atomy niklu wykazują w spektroskopii fotoelektronowej niemal identyczny obraz jak tlenek tytanu (II). Pallad przypomina z kolei cząsteczki tlenku cyrkonu (II), zaś platyna - molekuły węgliku wolframu. Związki "naśladujące" badane metale można więc zaliczyć do tzw. superatomów, czyli cząsteczek o właściwościach podobnych do znanych pierwiastków. Prawdopodobnie najważniejszym aspektem dokonanego odkrycia jest fakt, iż dane zebrane na podstawie badań zespołu prof. Castlemana układają się w logiczne i dające się przewidzieć serie. Oznacza to, że dla wielu drogich lub trudno dostępnych metali stosowanych np. jako elementy konstrukcyjne bądź katalizatory można znaleźć tanie i równie efektywne superatomowe zamienniki. Niewykluczone, że wdrożenie tej wiedzy do zastosowania w przemyśle może więc wywołać niemałe zamieszanie zarówno na giełdach surowcowych, jak i na rynkach produktów wytworzonych przy pomocy superatomów.