Ο περιοδικός πίνακας του Dmitri Mendeleev κατόρθωσε για πάνω από 100 χρόνια να είναι το κατευθυντήριο φως για τους χημικούς προσφέροντας τους μια καταπληκτική εικόνα για τα στοιχεία και οργανώνοντας τα σε τακτοποιημένες οικογένειες, των οποίων τα μέλη έχουν παρόμοιες ιδιότητες.
Αλλά η κλασική διάταξη του Mendeleev αρχίζει να αποδεικνύεται ανεπαρκής για να περιγράψει ορισμένα συσσωματώματα ατόμων ενός στοιχείου (τα υπεράτομα), που συμπεριφέρονται σαν να πρόκειται για ένα άτομο ενός άλλου στοιχείου. Έτσι, τώρα μερικοί χημικοί πιστεύουν ότι μπορεί να ήρθε ο καιρός για να οικοδομήσουμε ένα νέο πίνακα, αυτή τη φορά όχι από άτομα αλλά από τα υπεράτομα.
Σύμφωνα με τον Mendeleev κάθε στοιχείο μπορεί να τοποθετηθεί σε μια θέση μόνο ενός πίνακα. Για παράδειγμα τα πολύ δραστικά μέταλλα όπως το νάτριο και το ασβέστιο, καταλαμβάνουν τις δύο αριστερές στήλες του πίνακα. Τα αδρανή ή ευγενή αέρια βρίσκονται στην πιο δεξιά στήλη, κλπ.
Τώρα όμως αυτή η νοικοκυρεμένη εικόνα διαταράχθηκε από τα υπεράτομα, που η χημική συμπεριφορά των ατόμων που τα αποτελούν μπορεί να τροποποιηθεί, συχνά δραστικά, με την προσθήκη ενός μόνο επιπλέον ατόμου. Αυτή η ανακάλυψη είναι δύσκολο να εξηγηθεί με την κλασσική φυσική ενώ φαίνεται πως η κβαντομηχανική είναι η μόνη θεωρία που μπορεί να μας δώσει επαρκείς εξηγήσεις.
Η δε προσθήκη υπερατόμων στον Περιοδικό Πίνακα θα τον μετατρέψει από επίπεδο σε τρισδιάστατο πίνακα του οποίου το κάθε στοιχείο θα αναφέρεται σε μια σειρά από υπερ-στοιχεία. Τα υπεράτομα μπορούν στο μέλλον να έχουν πολύ συγκεκριμένες χρήσεις: θα μπορούσαν να συνδυαστούν προς υπερ-μόρια για να κατασκευαστούν νέα υλικά. Και η ασυνήθιστη χημεία τους θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για την παρασκευή πιο αποδοτικών καυσίμων.
H απλή εικόνα του Περιοδικού Πίνακα ανατράπηκε με την ανακάλυψη των υπερατόμων έγινε στις αρχές της δεκαετίας του ‘80 οπότε ο Thomas Upton, ερευνητής του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας, ανακάλυψε πως μια διάταξη έξι ατόμων αργιλίου λειτουργούσε ως καταλύτης για τη διάσπαση μορίων του υδρογόνου παρουσιάζοντας ανάλογη συμπεριφορά με το στοιχείο ρουθήνιο, ένα μέταλλο που χρησιμοποιείται ως καταλύτης χημικών αντιδράσεων στη χημική βιομηχανία. H παρατήρηση αυτή και η ερευνητική δραστηριότητα που αναπόφευκτα επακολούθησε, οδήγησε γρήγορα σε σκέψεις επέκτασης του περιοδικού πίνακα.
Το ερώτημα εκείνη την εποχή ήταν πρωταρχικά το τι ιδιαίτερο παρουσίαζε το συσσωμάτωμα των έξι ατόμων αργιλίου που του επέτρεπε να συμπεριφέρεται ως ένα άλλο στοιχείο. H ερευνητική ομάδα του Walter Knight στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Berkeley άρχισε να μελετάει το συσσωμάτωμα ατόμων νατρίου σε μορφή ψυχρού αερίου, απομονωμένου σε κλειστό χώρο. Διαπιστώθηκε πως σε αυτές τις συνθήκες δημιουργήθηκαν διατάξεις ατόμων οι οποίες συμπυκνώθηκαν από την αέρια μορφή με τρόπο ανάλογο με εκείνον της δημιουργίας σταγονιδίων νερού σε ένα χώρο γεμάτο υδρατμούς. Μάλιστα οι ερευνητές είδαν πως τα συσσωματώματα δεν περιείχαν τυχαίο αριθμό ατόμων. Αντίθετα, στις περισσότερες περιπτώσεις αποτελούντο από 8, 20, 40, 58 ή 92 άτομα νατρίου. Κατάλαβαν λοιπόν πως κάτι το ιδιαίτερο χαρακτήριζε τις συγκεκριμένες αριθμητικές κατανομές των ατόμων;
Μια πιθανή απεικόνιση του περιοδικού πίνακα που συμπεριλαμβάνει και τα υπεράτομα. H γνωστή μορφή με δύο διαστάσεις θα αλλάξει και θα γίνει ένας τρισδιάστατος πίνακας, κα9ώς σε κά9ε άτομο του ΠΠ θα αντιστοιχούσε και ένα υπεράτομο που θα παρουσίαζε τις ίδιες χημικές ιδιότητες με αυτό το άτομο.
O Knight και οι συνεργάτες του υποπτεύθηκαν πως γι αυτό το φαινόμενο έφταιγε η διάταξη των ηλεκτρονίων στο συσσωμάτωμα. Ξέρουμε πως στα μέταλλο ορισμένα από τα ηλεκτρόνια των ατόμων του μετάλλου (πχ του νατρίου) είναι ελεύθερα να κινούνται ελεύθερα μέσα στο μεταλλικό πλέγμα. Αυτός είναι και ο λόγος που τα μέταλλα είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού. Όμως όταν έχουμε μικροσκοπική ποσότητα ατόμων τότε αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια περιορίζονται στα λίγα άτομα του συσσωματώματος και συμπεριφέρονται με διαφορετικό τρόπο.
Για να μελετήσει αυτή την υπόθεση ο Knight δανείστηκε ένα μοντέλο από τον χώρο της πυρηνικής Φυσικής, που είναι γνωστό ως το μοντέλο του πηκτώματος (jellium model), στο οποίο μοντέλο τα άτομα που συμμετέχουν στο συσσωμάτωμα αντιμετωπίζονται ως μια ποσότητα πηκτώματος. Μέσα στην ποσότητα αυτή, ένα ηλεκτρόνιο από κάθε άτομο νατρίου είναι ελεύθερο να μετακινείται. Οι υπολογισμοί του Knight όμως δείχνουν πως τα ηλεκτρόνια αυτά δεν περιφέρονται άσκοπα αλλά διευθετούνται σε στιβάδες κατά τρόπο ανάλογο με τη διευθέτηση των ηλεκτρονίων σε στιβάδες σε ένα άτομο. Με τον τρόπο αυτό το συσσωμάτωμα συμπεριφέρεται ως ένα γιγαντιαίο άτομο – το υπεράτομο.
Και όταν η ομάδα του υπολόγισε τον αριθμό των ηλεκτρονίων που χρειάζεται για να συμπληρωθεί μία στιβάδα ενός τέτοιοι συσσωματώματος, βρήκε ότι είναι 8, 20, 40 και ούτω καθεξής. Δεδομένου ότι κάθε άτομο νάτριο, συμβάλλει με ένα ηλεκτρόνιο στο υπεράτομο αυτό εξηγεί γιατί το συσσωμάτωμα του νατρίου έχει την τάση να φτιάχνεται από 8, 20 και 40 ατόμων. Συσσωματώματα αυτού του μεγέθους μπορεί να θεωρηθούν ως τα υπεράτομα αντίστοιχα των ευγενών αερίων, διότι οι φλοιοί των ηλεκτρονίων του πηκτώματος είναι τελείως γεμάτα.
Μήπως όμως θα μπορούσαν να υπάρξουν υπεράτομα χωρίς να είναι συμπληρωμένη η εξωτερική τους στιβάδα, όπως σε αυτά του Thomas Upton κατά την δεκαετία του ‘80;
Έτσι, στα μέσα της δεκαετίας του ‘90, ο Welford Castleman μελέτησε την επίδραση που έχει το οξυγόνο κατά την αντίδραση του με συσσωματώματα ιόντων αργιλίου (υπεράτομο αργιλίου στα οποία είχε προστεθεί ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο). O Castelman παρατήρησε πως το οξυγόνο αφαιρούσε ένα – ένα τα άτομα αργιλίου από το συσσωμάτωμα μειώνοντας σταδιακά τον αριθμό των μελών του συσσωματώματος μέχρι και την τελική του εξαφάνιση καθώς εξελισσόταν η χημική αντίδραση. Για τη μελέτη του φαινομένου, η ομάδα επανέλαβε την αντίδραση χρησιμοποιώντας διατάξεις ατόμων αργιλίου με διάφορα μεγέθη. Σε αρκετές περιπτώσεις παρατηρήθηκε πως η αντίδραση σταματούσε αφήνοντας συσσωματώματα ατόμων αργιλίου μικρότερα από το αρχικό, τα οποία όμως δεν μπορούσαν να αποσυντεθούν περαιτέρω μέσω της διαδικασίας.
Όταν η ομάδα διερεύνησε τα «υπολείμματα» αυτά ανακάλυψε πως περιείχαν 13, 23 και 37 άτομα. Κατά τα φαινόμενα, υπήρχε κάποιο είδος σταθερότητας στα υπεράτομα αυτά που τα απέτρεπε να αντιδράσουν με το οξυγόνο. Προσπαθώντας να μελετήσουν την περίεργη αυτή ιδιότητα, ο Castleman και η ομάδα του χρησιμοποίησαν το μοντέλο του πηκτώματος, που είχε ήδη αποδειχθεί χρήσιμο για ανάλογους υπολογισμούς, και προσδιόρισαν τη διευθέτηση των ηλεκτρονίων στις στιβάδες των υπερατόμων Al3, ΑΙ23, ΑΙ37. H ομάδα ανακάλυψε κάτι ανάλογο με αυτό που είχε ανακαλύψει η ομάδα του Knight για τα υπεράτομα νατρίου. Οι διατάξεις με 13, 23 και 37 άτομα αργιλίου μαζί με ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο (καθώς η ομάδα μελετούσε συσσωματώματα ιόντων και όχι απλά ατόμων αργιλίου) διαθέτουν ακριβώς τον σωστό αριθμό ηλεκτρονίων για τη δημιουργία πλήρως συμπληρωμένων στιβάδων σε υπεράτομα αργιλίου.
Δηλαδή, με λίγα λόγια, οι διατάξεις ιόντων αργιλίου με τον παραπάνω αριθμό μελών, συμπεριφέρονται χημικά ως ένα ευγενές αέριο παρά ως αργίλιο, τουλάχιστον όσον αφορά την αντίδραση τους με οξυγόνο. O αριθμός των ατόμων (ιόντων) που συμμετέχουν στα συσσωματώματα είναι διαφορετικός από τον αριθμό που είχε παρατηρήσει ο Knight καθώς κάθε άτομο αργιλίου συνεισφέρει περισσότερα ηλεκτρόνια από ότι κάθε άτομο νατρίου.
Ο Castleman στη συνέχεια αναρωτήθηκε τι θα συνέβαινε αν αφαιρεθεί το ηλεκτρόνιο που περίσσευε στα συσσωματώματα. Χωρίς το επιπλέον ηλεκτρόνιο το συσσωμάτωμα (που συμπεριφερόταν σαν ευγενές αέριο αρχικά) με τα 13 άτομα αργιλίου, είχε την ίδια χημική συμπεριφορά με αυτή των αλογόνων ή καλύτερα του ιόντος του βρωμίου. Δηλαδή ένα μέταλλο – το αργίλιο – συμπεριφερόταν σαν το αμέταλλο βρώμιο όταν ήταν υπεράτομο.
Τα υπεράτομα φαίνεται πως είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν στη διαμόρφωση εντελώς νέων υλικών όπως είναι οι υπερκρύσταλλοι. Σε ένα στερεό όπως το χλωριούχο νάτριο, τα άτομα είναι διατεταγμένα σε κυβική κανονική διάταξη, αλλά σε έναν υπέρ-κρύσταλλο, κάποια ή όλα τα άτομα θα έχουν αντικατασταθεί από γιγάντια υπεράτομα προσδίδοντας του και διαφορετικές κατά ένα μέρος ιδιότητες.
Έτσι, στις αρχές της δεκαετίας του ‘90 ερευνητές είδαν πως οι υπεραγώγιμες ιδιότητες κρυσταλλικού άνθρακα με 60 άτομα, με προσμίξεις μεταλλικών ιόντων διατηρούντο για υψηλότερες θερμοκρασίες όσο μεγαλύτερα ήταν τα ιόντα που συμμετείχαν στην κρυσταλλική του δομή.
Επίσης, για ορισμένους χημικούς τα υπεράτομα προσφέρουν ένα τρόπο για τη μεταβολή και τον έλεγχο των χημικών ιδιοτήτων των στοιχείων, κάτι που μέχρι πρότινος ήταν απλά δεδομένο και αμετάβλητο. Πρόκειται για ένα είδος αλχημείας χωρίς την ανάγκη για προσφυγή στον αποκρυφισμό. Το μόνο που απαιτείται είναι η μέτρηση για κάθε περίπτωση του κατάλληλου αριθμού ατόμων.
Μήπως όμως αργότερα μορφώματα με υπεράτομα τα οποία θα έχουν ιδιαίτερες ιδιότητες θα βοηθήσουν την καθημερινή ζωή με εφαρμογές που ακόμα δεν ξέρουμε; Οι χημικοί είναι αισιόδοξοι ότι στο μέλλον θα βρούμε τις κατάλληλες εφαρμογές.
Βιβλιογραφία: New Scientist
Σχετικά άρθρα
Ανακάλυψαν μαγνητικά υπεράτομα
Leave a Comment