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.
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.
Читайте также о других «притворщиках»: золотом алюминии и синем серебре, кислородно-водородном сплаве, красном кислороде, суперионной воде, а ещё о сложном соединении, состоящем из одного элемента периодической таблицы Менделеева.
10 ШОКИРУЮЩИХ ПРЕДСКАЗАНИЙ ученых НА 2018 ГОД
