Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Методология науки
Избранное
Публичные лекции
Лекции для школьников
Библиотека «Династии»
Интервью
Опубликовано полностью
В популярных журналах
«В мире науки»
«Знание — сила»
«Квант»
«Квантик»
«Кот Шрёдингера»
«Наука и жизнь»
«Наука из первых рук»
«Популярная механика»
«Потенциал»: Химия. Биология. Медицина
«Потенциал»: Математика. Физика. Информатика
«Природа»
«Троицкий вариант»
«Химия и жизнь»
«Что нового...»
«Экология и жизнь»
Из Книжного клуба
Статьи наших друзей
Статьи лауреатов «Династии»
Выставка
Происхождение жизни
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Архив журнала «Химия и жизнь» за 40 лет!

На 4 CD или 1 DVD





Главная / Библиотека / В популярных журналах / «Химия и жизнь» версия для печати

Новая алхимия

Филип Болл
(перевел с английского кандидат физ.-мат. наук А. В. Хачоян)
«Химия и жизнь» №1, 2006

Когда металлы теряют металлические свойства? Филип Болл рассказывает о превращении металлов в неметаллы и о суператомах. Эта статья была опубликована в «New Scientist» 16 апреля 2005 года.

Основную идею этой статьи высказал в свое время Дмитрий Иванович Менделеев. Его Периодическая таблица придала смысл понятию «химический элемент» и более ста лет остается путеводной звездой химиков. Однако построение своей знаменитой схемы Менделеев начинает с жесткого утверждения: при уменьшении размеров исследуемых образцов невозможно адекватно описать их свойства, поскольку поведение частиц становится неоднозначным. Похоже, что сейчас пришло время создавать новую, более полную таблицу элементов, включающую более сложные и странные объекты, которые можно назвать суператомами.

В соответствии с основной идеей Менделеева химические свойства элементов определяются их положением в Периодической таблице. Скажем, в двух левых столбцах расположены атомы активных металлов (например, натрий и кальций), в последнем столбце справа — атомы инертных, или благородных, газов, а в промежуточных — атомы типичных неметаллов (хлор или сера).

Уэлфорд Кастельман и группа исследователей из Пенсильванского университета обнаружили, что кластеры алюминия можно заставить подражать другим химическим элементам (фото с сайта www2.chem.psu.edu)
Уэлфорд Кастельман и группа исследователей из Пенсильванского университета обнаружили, что кластеры алюминия можно заставить подражать другим химическим элементам (фото с сайта www2.chem.psu.edu)

Сегодня эта приятная своей ясностью картина грубо нарушена, поскольку исследователи обнаруживают всё больше суператомов — кластеров, образованных атомами определенного элемента, свойства которых неожиданно оказываются похожими на свойства отдельных атомов совершенно других элементов. Более того, химическое поведение суператомов может неожиданно и весьма резко меняться даже при незначительных изменениях размера (например, при добавлении одного-единственного атома того же элемента). Специалист по суператомам алюминия Уэлфорд Кастельман (Пенсильванский университет) формулирует проблему следующим образом: «Мы можем воспользоваться атомами одного элемента для того, чтобы имитировать поведение нескольких других элементов Периодической таблицы».

Естественно, такие новости могут в корне изменить наши представления о химической активности вообще. Суператомы, введенные в Периодическую таблицу, превращают ее из двумерной картинки в трехмерный пейзаж, в котором каждый химический элемент образует ряд собственных «суперэлементов». Разумеется, суператомы могут иметь очень интересные практические применения вследствие необычности их химических свойств — возможно, на их основе удастся создать новые материалы, новые высокоэффективные типы горючего.

Согласно общепринятой структурной теории, химические свойства атома определяются тем, как располагаются электроны на орбиталях вокруг ядра. Расположение, в свою очередь, зависит от числа электронов, полагающихся данному ядру, — от одного у легкого атома водорода до 92 у тяжелого атома урана. Соответственно, структура Периодической таблицы элементов и их химическая активность определяется порядком и степенью заполнения электронных оболочек. Атомы, все оболочки которых заполнены (благородные газы гелий, аргон и ксенон), отличаются поразительной химической инертностью, в то время как наиболее химически активные элементы почти всегда имеют оболочки с одной незаполненной электронной орбиталью или, наоборот, с одним лишним электроном.

Это простое устройство химического мира начало давать сбои еще в начале 80-х годов, когда стали появляться свидетельства того, что кластеры атомов некоторых элементов ведут себя подобно атомам других элементов. Например, Томас Аптон (Калифорнийский технологический институт) обнаружил, что кластеры из шести атомов алюминия катализируют расщепление молекулярного водорода почти так же, как и атомы рутения, стандартного катализатора многих химико-технологических процессов. Это сразу навело многих исследователей на мысли о Периодической таблице. Как вспоминал позднее специалист по химии кластеров Роберт Веттен (Технологический институт штата Джорджия): «Многие из нас вдруг стали размышлять и беседовать о Менделееве».

Внимание к шестиатомным кластерам подогревало и то обстоятельство, что примерно в то же время команда исследователей Калифорнийского университета под руководством Уолтера Найта, исследуя совершенно иные типы кластеров, наткнулась на очень интересную закономерность. Изучая поведение охлажденных паров атомарного натрия, группа Найта обнаружила, что они объединяются подобно каплям водяного конденсата, причем число атомов, образующих кластер, вовсе не случайно. Почти всегда кластеры состояли из 8, 20, 40, 58 или 92 атомов, и это, естественно, заставило задуматься о физическом смысле указанных чисел.

Размер имеет значение

Примерно двести лет назад ученые поняли, что очень маленькие частицы веществ при их дальнейшем уменьшении могут проявлять совершенно неожиданные свойства. Последние данные такого рода связаны с резкими изменениями в окраске некоторых флуоресцентных материалов при переходе к нанометровым масштабам. Например, широко используемый полупроводник селенид кадмия при белом свете обычно излучает в инфракрасной области спектра. И вдруг выяснилось, что его частицы размером в несколько десятков нанометров излучают более короткие импульсы, частота которых смещена в желтую и красную области видимого спектра.

Излучение света обусловлено квантовыми переходами электронов между квантованными уровнями энергии в полупроводнике. Необычное явление объясняют тем, что в наноразмерных образцах меняется структура квантовых уровней кристалла и увеличивается расстояние между уровнями. В результате соответствующие переходам фотоны становятся более высокоэнергетическими, что и уменьшает длину волны флуоресцентного излучения. Обнаруженный эффект позволяет настраивать частоту излучения наночастиц простым изменением их размеров. Такие частицы уже начали применять при создании флуоресцентных маркеров для исследования живых клеток, а также при конструировании сверхминиатюрных регулируемых источников света в устройствах оптической коммуникации.


Комментарии (2)


 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия