רעיונות שישנו את העולם: מולקולות־על המורכבות מאטומים שאינם מצויים בטבלה המחזורית

דרך לבנות מולקולות וחומרים חדשים שהטבלה המחזורית אינה מאפשרת את קיומם

מאת ג’ון פָּוולוּס, הכתבה מתפרסמת באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל ורשת אורט ישראל 29.01.2017

אולי נראה שהטבלה המחזורית מכילה הרבה יסודות, אבל כימאים ומדעני חומרים היו רוצים לראות יסודות נוספים. הסיבה היא שספרי המתכונים של הטבע מציבים מכשולים בפני מי שמבקשים לפתח חומרים סינתטיים בעלי תכונות מועילות במיוחד, למשל מוליכי־על דמויי סיליקון המסוגלים לעבור התכלות ביולוגית כמו עץ טבעי. “לעתים קרובות קורה שאנחנו רוצים אטום שאינו קיים במציאות”, אומר קולין נָקוֹלְס, פרופסור לכימיה באוניברסיטת קולומביה. התשובה לצורך הזה יכולה להיות מולקולות הבנויות מ”אטומי־על” – צברים של אטומים המתנהגים כמו יסודות יחידים. אפשר לבנות אטומי־על בעלי תכונות אלקטרוניות ומגנטיות שקשה או בלתי אפשרי לקבל על ידי צירופים טבעיים של יסודות. אבל אף על פי שכימאים יודעים כבר עשרות שנים כיצד ליצור אטומי־על, הם התקשו למצוא דרך אמינה לצרף אותם לכדי מבנים גדולים יותר.

אך כעת גילה צוותו של נָקוֹלְס שיטה המאפשרת לבנות מולקולות העשויות מאטומי־על. המבנים הסינתטיים שמתקבלים יכולים לחקות את תכונותיהן של מולקולות הקיימות בטבע, אך גם מספקים למדעני החומרים שליטה מסוימת בתכונותיהם ויכולת להתאים אותם למטרות מוגדרות. “אפשר לשנות בקלות את התכונות הכימיות או המגנטיות של מולקולות הבנויות מאטומי־על בדרכים שאינן אפשריות במבנים אטומיים רגילים,” אומר נָקוֹלְס. “זה כמו להוסיף עוד ממד לטבלה המחזורית.”

וולטר נָייט ועמיתיו באוניברסיטת קליפורניה בברקלי גילו את אטומי העל ב-1984 כשסינתזו צברים של אטומי נתרן שקליפת האלקטרונים החיצונית שלהם התנהגה כמו קליפה של אטום יחיד והגבירה את תכונותיהם המגנטיות ואת יכולתם להגיב עם אטומים אחרים. מאז יצרו מדענים צברי אטומי־על מאלומיניום, מפלטינה, מרובידיום ומיסודות אחרים. אבל כדי לצרף אטומי־על לכדי מולקולות גדולות יותר מדענים היו צריכים להבין את החוקים הכימיים המיוחדים השולטים בעולם אטומי־העל, השונים מאלה של קרוביהם בטבלה המחזורית.

אלקטרונים מתארגנים מטבעם סביב לגרעין של אטום לפי עקרון ה-Aufbau (מונח גרמני הרומז על מבנה שכיוונו מלמטה כלפי מעלה; עיקרון זה הוצג בשנים הראשונות של המכניקה הקוואנטית). הם ממלאים את רמות האנרגיה הנמוכות לפני הרמות הגבוהות יותר. נָקוֹלְס וצוותו השתמשו בתגלית ראשונית של תלמידת המחקר אנוּק מ’ארי שָאמְפּסוֹר והתחילו לפתח עיקרון דומה לבניית מולקולות סינתטיות מאטומי־על.

עד כה בנה הצוות מולקולות מזוגות ומשלשות של אטומי־על עשויים קוֹבַּלט וסֶלֶניום. אבל שָאמְפּסוֹר ונָקוֹלְס מאמינים שהעקרונות שמצאו יאפשרו בנייה של חומרים אקזוטיים יותר עם פוטנציאל לשמש בחיישנים גמישים, בלבוש חכם ובסוללות בעלות דרגת יעילות גבוהה. ספרים ללימוד כימיה לא יצטרכו לעדכן את הטבלה המחזורית המודפסת בהם, אומר נָקוֹלְס: “מעשה כזה שקול לאלכימיה.” אבל מולקולות מאטומי־על, לדבריו, הן “דרך לקבל יותר ממה שנותן לנו הטבע.”