Чудеса суператомов
Предварительная, не совсем точная информация об открытии "суператомов" алюминия появилась в Рунете еще в январе. Речь о том, что отдельные атомы алюминия способны объединяться в скопления-кластеры, которые ведут себя как индивидуальные атомы, чьи химические свойства обладают немалым сходством со свойствами галогенов и щелочноземельных металлов.
На самом деле парадоксальные свойства небольших скоплений атомов алюминия были выявлены без малого четверть века назад и с тех пор интенсивно изучаются. Новое исследование на эту тему было выполнено под совместным руководством Шивы Ханны (Shiv N. Khanna) из Университета штата Вирджиния (Virginia Commonwealth University) в Ричмонде и профессора Университета штата Пенсильвания (Penn State University) Велфорда Кастлемана (A. Welford Castleman Jr.), который уже много лет изучает химию алюминиевых кластеров и получил в этой области важнейшие результаты. При этом об открытии "нового класса веществ - полииодидов (продукта соединения суператомов алюминия и иода)" говорить не приходится, поскольку полииодиды известны с незапамятных времен - их молекулы состоят из нескольких атомов иода и атомов других элементов (пример - трииодид калия, KI3). Можно говорить лишь об открытии нового семейства полииодидов, а именно соединений атомов иода с алюминиевыми кластерами.
В начале 1980-х годов химик из Калифорнийского технологического института Томас Эптон (Thomas Upton) обнаружил, что объединенные шестерки атомов алюминия катализируют процесс расщепления молекул водорода. То же самое могут делать и атомы рутения, металла платиновой группы, который катализирует многие химические реакции. Открытие Эптона означало, что кластеры Al6 по отношению к молекулам водорода ведут себя наподобие атомов этого платиноида. Причина столь странного эффекта в то время никак не просматривалась.
Примерно в то же время сотрудники Калифорнийского университета в Беркли во главе с Уолтером Найтом (Walter Knight) изучали поведение газообразного натрия при очень низких температурах. Эти эксперименты показали, что при определенных условиях атомы такого газа стягиваются в скопления, аналогичные капелькам воды, которые конденсируются из водяного пара. Но интереснее другое: оказалось, что среди этих скоплений больше всего было кластеров, содержавших 8, 20, 40, 58 или 92 атома. Атомные группировки другого состава тоже возникали, но в небольшом количестве.
Эту закономерность удалось довольно быстро объяснить. Хорошо известно, что химические свойства каждого элемента (иначе говоря, его способность вступать в те или иные реакции) определяются прежде всего структурой внешней электронной оболочки его атомов (входящие в нее электроны называются валентными). Когда атомы натрия конденсировались в кластеры, их валентные электроны обобществлялись и формировали единую оболочку. Теоретические расчеты показали, что при формировании "магических" кластеров эти оболочки получались "замкнутыми", целиком заполненными. Именно такими оболочками обладают атомы гелия, неона, аргона и других благородных газов, химических элементов VIII группы периодической системы, которые очень слабо вступают в химические реакции. Натриевые кластеры с восемью, двадцатью, сорока и т.п. атомами тоже отличались особой устойчивостью и поэтому количественно преобладали в конденсате.
Все эти эксперименты и вычисления уже давали основания считать, что какие-то атомные кластеры обладают устойчивыми валентными электронными оболочками и поэтому могут вступать в химические реакции как единое целое. Следующий шаг был сделан уже упоминавшимся Велфордом Кастлеманом. Несколько лет назад он и его коллеги доказали, что кластеры из 13, 23 и 37 атомов алюминия обладают валентными оболочками с одной незаполненной вакансией. Известно, что таковы же оболочки галогенов - фтора, хлора, брома, иода и астата. Атомы галогенов легко объединяются в пары, образуя бинарные молекулы F2, Cl2 и т.д. Кастлеман и Ханна решили попробовать заменить один из этих атомов алюминиевым кластером. Расчеты показали, что этого будет легче добиться, если в качестве реагента использовать ионизированные кластеры, лишенные одного электрона. Еще в прошлом году эти ученые опубликовали информацию о получении комплекса, состоящего из тринадцатиатомного кластера алюминия и атома иода. А вот в своей последней работе, которая в январе появилась в Science, Кастлеман, Ханна и их сотрудники сообщили о том, что им удалось "подцепить" к таким кластерам группы из четного числа атомов иода - пары, четверки, даже дюжины. Кроме того, они показали, что четырнадцатиатомный алюминиевый кластер по своим свойствам напоминает магний, кальций и др.
В суператомы пока что таким образом удалось превратить только кластеры Al13 и Al14. Но это только начало. Исследователи из группы Кастлемана полагают, что аналогичными свойствами могут обладать кластеры из атомов кислорода и ванадия, а также, возможно, и других элементов. Не исключено, что со временем появится новая плодоносная ветвь химической науки, химия суператомов, которая даст множество выходов в технологию.
Источники:
D. E. Bergeron, P. J. Roach, A. W. Castleman, Jr., N. O. Jones, and S. N. Khanna
AL Cluster Superatoms as Halogens in Polyhalides and as Alkaline Earths in Iodide Salts
Science 14 January 2005: 231-235
A New Kind of Alchemy
New Scientist, online edition, 16 April 2005
Статьи по теме
Чудеса суператомов
Выявлены и интенсивно изучаются новые парадоксальные свойства небольших скоплений атомов алюминия. Не исключено, что со временем появится новая плодоносная ветвь химической науки, химия суператомов.
Создано первое наноустройство, способное взвешивать отдельные молекулы
Эта технология может привести к появлению новых способов молекулярной идентификации, более дешевых и быстрых, чем ныне существующие, а также к созданию революционных приборов для протеомики.
Новые машины превратят наши дома в мини-фабрики
Суперпринтеры- репликаторы, которые способны "напечатать" самые разнообразные применяемые в повседневном быту вещи - от чашки до кларнета, - причем очень быстро и дешево, могут появиться едва ли не в каждом нашем доме в самые ближайшие годы. Изготовление многих нужных вещей в домашних условиях позволило бы уменьшить их стоимость до нескольких фунтов, при этом можно было бы забыть про огромные фабрики и многочисленные магазины.
Наука-2004: марсоходы, хоббиты, пульсары, конденсат из фермионов...
Традиционный перечень журнала Science включает десятку наиболее ярких достижений науки уходящего года. Первое место в новом рейтинге заняли итоги исследования марсианской поверхности с помощью бортовой аппаратуры американских марсоходов-роверов Spirit и Opportunity, а также европейской орбитальной станции Mars Express.
Шагающий наноробот
Двое химиков из Нью-Йоркского университета впервые в мире создали прямоходящего двуногого наноробота. В качестве исходного материала Надриан Симан и Уильям Шерман воспользовались мелкими фрагментами двухцепочечных и одноцепочечных молекул ДНК.
Физики научились манипулировать отдельными электронами в атомах
Найден способ снимать отдельные электроны с одиночных атомов золота, а потом заново преобразовывать такие рукотворные ионы в нейтральные атомы. Результаты этого эксперимента могут стать первым шагом на пути к созданию запоминающих устройств, в которых носителями информации будут служить отдельные атомы.
Открыт эффект, который позволит изготавливать наномашины
Американские ученые превратили одиночные углеродные нанотрубки в идеально действующий конвейер, способный переносить отдельные атомы. Вероятно, подобные устройства найдут широкое применение в технологиях изготовления наномашин, которые сейчас усиленно разрабатываются во многих странах.
Безделушки из наночастиц предвещают технологический переворот
Физики из Китая, Японии и США научились создавать внутри стеклянных пластинок объемные структуры, составленные из золотых наночастиц.
Американские физики научились создавать электронные приборы из отдельных молекул
Американские физики провели серию экспериментов, которые впервые позволили наносить по одному атому на единственную многоатомную молекулу. Дальнейшие исследования в этой области обещают значительно расширить возможности электронных технологий близкого будущего. Стандартными строительными блоками следующих поколений электронных приборов, по всей вероятности, станут отдельные крупные молекулы, а их придется легировать с помощью абсолютно новых технологий.