Новости химической науки > Новая информация о «суператомах»

Исследователи из Университета Пенн продемонстрировали, что ряд комбинаций одних химических элементов обладает электронными характеристиками, присущими индивидуальным атомам других химических элементов.

Руководитель исследовательской группы, профессор Велфорд Кастлман Младший (A. Welford Castleman Jr.), уверяет, что результаты их работы могут оказаться значимыми в разработке новых материалов для применения в источниках энергии, борьбы с загрязнением окружающей среды и новых катализаторов.

Фотоэлектронная спектроскопия раскрывает близость электронных свойств атома никеля и молекулы моноксида титана. Слева: Графическое отображение спектров атома никеля и молекулы моноксида титана. (Рисунок из doi: 10.1073/pnas.0911240107)

Исследователи также показали, что сходство между электронных свойств индивидуальных атомов и атомных групп может быть предсказано просто при «беглом» просмотре таблицы Менделеева. На основании результатов, полученных как в результате теоретических, как и экспериментальных исследований, Кастлман заявляет, что появляется возможность расширения границ Периодической системы.

Для изучения близости свойств моноксида титана и никеля, моноксида циркония и палладия, а также карбида вольфрама и платины исследователи из группы Кастлмана использовали методику, известную как фотоэлектронную спектроскопию с визуализацией (photoelectron imaging spectroscopy).

Кастлман поясняет, что применявшаяся в его группе фотоэлектронная спектроскопия позволяет измерить энергию, необходимую для отрыва электронов от атомов в различных энергетических состояниях, при этом одновременно фиксируя процесс отрыва электронов на цифровую камеру. Таким образом, новый метод позволяет не только измерить энергию валентных электронов, но и непосредственно наблюдать орбитали, на которых локализованы эти электроны.

Было обнаружено, что для отрыва электронов с орбиталей молекулы моноксида титана требуется такая же энергия, как для отрыва электрона с орбиталей атома никеля. Аналогичное сходство наблюдается в парах оксид циркония–палладий и карбид вольфрама–платина. Эти пары представляют собой пары изоэлектронных частиц, в данном случае термин «изоэлектронный» относится к числу электронов во внешней оболочке индивидуального атома или молекулы.

Кастлман поясняет, что молекулы моноксида титана, моноксида циркония и карбида вольфрама можно рассматривать как, соответственно суператомы никеля, палладия и платины. Суператомы – это атомные кластеры, проявляющие ряд свойств индивидуальных атомов. Прежняя работа группы Кастлмана была посвящена исследованию понятия суператомов.

Результаты его предыдущих экспериментов продемонстрировали, что кластер, состоящий из 13 атомов алюминия, ведет себя как изолированный атом йода, захват этим кластером электрона приводит к тому, что частица Al_13>^– ведет себя как атом инертного газа, затем в его группе было показано, что кластер из 14 атомов алюминия обладает реакционной способностью, близкой реакционной способности атома щелочноземельного металла.

Новая работа Кастлмана выводит идею суператомов на новый уровень, предлагая количественное обоснование концепции суператомов. Он отмечает, что теперь появляется возможность предсказывать, какие комбинации атомов могут быть подобны отдельным атомам. Он добавляет, что, например, Периодическая система позволяет определить, что моноксид титана является суператомной аналогией никеля – у титана четыре валентных электрона, у кислорода – шесть валентных электронов, таким образом TiO будет изоэлектронен никелю, во внешней оболочке которого находится 10 валентных электронов. Кастлман заявляет, что первоначально исследователи подумали о том, что суператомная аналогия оксида титана никеля является простым совпадением, однако дальнейшие исследования подтвердили тенденцию на примерах ZrO и WC.

Источник: Proceedings of the National Academy of Sciences, 2009, doi: 10.1073/pnas.0911240107

метки статьи: #квантовая химия, #неорганическая химия, #физическая химия