Новости химической науки > Малые металлические кластеры выдают себя за атомы

Если Шив Хана (Shiv N. Khanna) прав, то он и его коллеги обнаружили портал в принципиально другую Периодическую систему, населенную кластерными "суператомами". Свойства этих образований аналогичны свойствам атомов привычной для нас менделеевской таблицы. Например, последний безлигандный кластер, полученный в группе Хана Al₇^– ведет себя как один поливалентный атом германия.

Исследователи отмечают, что если будет разработан способ производства кластерных «суператомов» в достаточных количествах, это позволит разработать «суператомную» химию для создания новых типов катализаторов, полупроводников и других материалов с полезными свойствами.

В последние годы Хана – ученый физик из Университета Вирджинии, и Велфорд Кастелман младший (A. Welford Castleman Jr.) из Университета Пенсильвании получают безлигандные нейтральные алюминиевые кластеры, состоящие из 13 или 14 атомов, имеющие электронную структуру и химические свойства сходные с галогенами или щелочноземельными металлами соответственно.

Они также обнаружили, что кластер Al₁₃^– показывает химическое поведение достаточно похожее на поведение аргона и других инертных газов. Наблюдаемое совпадение свойств кластеров и обычных атомов наводит ученых на мысль о том, что есть возможность генерации кластеров, повторяющих свойства всех элементов Периодической системы. Получение и изучение свойств кластера Al₇^–делает эту возможность все более и более реалистичной.

Все изученные «суператомы» могут проявлять переменное валентное состояние, позволяющее получить стабильные полиатомные кластеры при комбинировании «суператомов» с отдельными элементами. Так, из кластера Al₇^– были получены AlС₇^– и AlО₇^–.

Строение полиатомных кластеров алюминия с углеродом (а) и кислородом (d) (По материалам Proc. Nat. Acad. Sci. USA)

Ханна поясняет в статье, что для него суператомами являются те кластеры, которые проявляют не только достаточную стабильность, но и свойства, воспроизводящие химические черты атомов Периодической системы. Открытие подобных суператомов, по мнению американского физика, «расширяет таблицу Менделеева в третье измерение».

Для осознанного поиска новых кластеров, способных проявлять свойства суператомов, исследователи разработали модель, получившую название модель Джеллиум (Jellium model). Предложенная концепция описывает кластер как гомогенную матрицу, состоящую из атомных ядер и внутрисферных (невалентных) электронов. Это приближение дает возможность оценить положительный заряд, создаваемый общим кластерным ядром. Величина электрического потенциала, обусловленного существованием этого заряда, определяет распределение внешних электронов кластера. Электроны внешней электронной оболочки кластера, в свою очередь, могут рассматриваться как валентные электроны суператома.

Используя такие теоретические предпосылки, исследователи описывают электронную структуру кластеров, используя привычные для химиков способы обозначения распределения электронной плотности. Например, электронную структуру кластера Al₇^–, имеющего 22 валентных электрона, можно записать как 1s²1p⁶1d¹⁰2s²1f².

Ханна говорит, что в ближайшем будущем его группа будет делать попытки открыть новые суператомы, используя магний, золото, бор и другие элементы.

Источник: Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 2006. 103. 18405