על-אטומים מחקים התנהגות של יסודות

הפיכת עופרת לזהב הינה משימה בלתי-אפשרית, אולם, סוג דומה של "אלכימיה" לא רק שהינו אפשרי, אלא אפילו גם יעיל מבחינה כלכלית. מספר צירופים של אטומי יסודות הינם בעלי תבנית אלקטרונים המחקה את זו של יסודות אחרים

הפיכת עופרת לזהב הינה משימה בלתי-אפשרית, אולם, סוג דומה של "אלכימיה" לא רק שהינו אפשרי, אלא אפילו גם יעיל מבחינה כלכלית. שלושה חוקרים מאוניברסיטת Penn State (אוניברסיטת המדינה של פנסילבניה) הראו כי מספר צירופים של אטומי יסודות הינם בעלי תבנית אלקטרונים המחקה את זו של יסודות אחרים.

לדבריו של החוקר הראשי, A. Welford Castleman, פרופסור במחלקות לכימיה ופיסיקה, "הממצאים יוכלו להוביל לקבלת חומרים זולים יותר עבור יישומים נפוצים כדוגמת מקורות חדשים לאנרגיה, שיטות להפחתת זיהומים וקטליזה, שבה תלויות מאוד חברות תעשייתיות עבור תהליכים כימיים."

החוקרים הראו גם כי ניתן לחזות את האטומים שזוהו כמשתתפים בתבניות חיקוי אלו, פשוט באמצעות מבט בטבלה המחזורית. צוות המחקר השתמש בניסויים ובתיאוריות מתקדמים לשם כימות ממצאים חדשים ובלתי-צפויים אלו. "אנו מקבלים נקודת מבט חדשה לחלוטין על הטבלה המחזורית," אומר החוקר הראשי. הממצאים פורסמו בכתב-העת המדעי Proceedings of the National Academy of Sciences.

צוות המחקר השתמש בשיטה ספקטרוסקופית המכונה "ספקטרוסקופיית דימות פוטו-אלקטרונית" (photoelectron imaging spectroscopy) בכדי לבחון קווי-דמיון בין חד-תחמוצת הטיטאניום לבין ניקל, בין חד-תחמוצת הזירקוניום לבין פלדיום, ובין קרביד הטונגסטן לבין פלטינה.

"מיקרוסקופיה פוטואלקטרונית מודדת את האנרגיה הנדרשת בכדי להוציא אלקטרונים מרמות אנרגיה שונות של אטומים או פרודות, תוך כדי צילומי-בזק של אירועי "תלישה" אלו באמצעות מצלמה דיגיטאלית," מסביר החוקר. "השיטה מאפשרת לנו לקבוע את אנרגיות הקישור של האלקטרונים וכן לצפות באופן ישיר באופי האורביטלים שבהם התמקמו האלקטרונים טרם תלישתם. מצאנו כי כמות האנרגיה שנדרשה להרחקת אלקטרונים מפרודת חד-תחמוצת הטיטאניום זהה לכמות האנרגיה שנדרשה להרחקת אלקטרונים מאטום של המתכת ניקל. הדבר נכון גם עבור זוגות המערכות חד-תחמוצת הזירקוניום מול פלאדיום, וקרביד הטונגסטן מול פלטינה. המפתח לתוצאות טמון בעובדה כי כל הזוגות מהווים צורונים איזואלקטרוניים, שהם אטומים בעלי תצורה אלקטרונית זהה."

החוקר מציין כי במקרים אלו המונח איזואלקטרוני מתייחס למספר האלקטרונים המצויים ברמה החיצונית ביותר של האטום או הפרודה.

החוקרים בחנו את התמונות שהתקבלו מהמידע של הספקטרוסקופיה הפוטואלקטרונית. תבניות הנקודות הבהירות בתמונה, המתאימות לאנרגיית האלקטרונים הנפלטת במהלך הרחקתם מהרמות החיצוניות של האטום, נראו דומות מאוד בין שלושת זוגות הצורונים שנבחנו במחקר. באופן דומה, התצוגות הגראפיות של רמות האנרגיה נראו דומות מאוד בין שלושת זוגות הצורונים; גם חישובים תיאורטיים הראו התאמה גבוהה בין רמות האנרגיה של זוגות הצורונים.

החוקר מסביר כי חד-תחמוצת הטיטאניום, חד-תחמוצת הזירקוניום וקרביד הטונגסטן הינם בעצם על-אטומים של ניקל, פלדיום ופלטינה, בהתאמה. על-אטומים (הערך בוויקיפדיה) הינם צברים של אטומים המפגינים חלק מהתכונות של אטומי היסודות. מחקר קודם שנערך באותה המעבדה בחן את עצם הרעיון של על-אטומים. אחד מניסויים אלו הראה כי צבר של שלושה-עשר אטומי חמרן (אלומיניום) מתנהגים כמו אטום יוד אחד. הוספת אלקטרון יחיד למערכת אטומי חמרן זו גרמה לכך שהצבר יתנהג כמו אטום של גז אציל. בנוסף, המחקר הראה כי צבר של ארבעה-עשר אטומי חמרן הינו בעל פעילות הדומה לזו הקיימת באטום של מתכת אלקלית עפרורית.

עכשיו, המחקר החדש של המדען קסטלמן מקדם את הרעיון של על-אטום לרמה חדשה לחלוטין ומספק בסיס כמותי מוצק למושג חדש יחסית זה. "זה נראה כאילו אנו מסוגלים לחזות אילו מהצירופים של אטומי היסודות יוכלו לחקות אטומי יסודות אחרים," הוא אומר. "לדוגמא, ע"י מבט בטבלה המחזורית ניתן לחזות כי חד-תחמוצת הטיטאניום תהווה על-אטום של ניקל. פשוט תתחיל מטיטאניום, המכיל ארבעה אלקטרונים ברמתו החיצונית ביותר, ונוע שישה יסודות ימינה בטבלה המחזורית מאחר ואטום חמצן מכיל שישה אלקטרונים ברמתו החיצונית ביותר. היסוד שהגעת אליו הינו ניקל, שעשרת האלקטרונים ברמתו החיצונית ביותר הופכת אותו לאיזואלקטרוני מול השילוב של טיטאניום וחמצן. חשבנו לעצמנו כי ממצא זה חייב להיות צירוף מקרים נדיר, לכן המשכנו ובחנו זאת עם אטומים אחרים ומצאנו כי מגיח לו החוצה דפוס פעולה זהה."

החוקר אומר כי הוא אינו יודע אם התבנית הזו תחזור על עצמה לכל אורך הטבלה המחזורית או אם היא תהיה מוגבלת רק לחלק ממנה. עכשיו, צוות המחקר בוחן אטומים של מתכות המעבר. בעתיד, הם מתכננים לקחת את המחקר צעד אחד קדימה ולבדוק באם תכונותיהן הכימיות של העל-אטומים דומות לאטומים הפרטניים המרכיבים אותם. "כיום משתמשים בפלטינה כמעט בכל הממירים הקטליטיים בכלי-רכב, אולם היא חומר יקר מאוד," אומר החוקר הראשי. "בניגוד לכך, קרביד הטונגסטן, שהינו "חיקוי" לפלטינה, זול. ניתן יהיה לחסוך משמעותית בעלויות הכלכליות באם יצרני הממירים הקטליטיים יוכלו להשתמש בקרביד הטונגסטן במקום בפלטינה. באופן דומה, פלדיום משמש בתהליכי בעירה מסוימים, ויכול להיות מחוקה ע"י חד-תחמוצת הזירקוניום, שהינה זולה יותר ממנו בכפי חמש מאות. הממצאים החדשים שלנו מרתקים הן מהבחינה המדעית והן מהבחינה הכלכלית המעשית."

הידיעה מהאוניברסיטה