Суператомы алюминия

Публикации об открытии "суператомов" алюминия начали появляться в сети еще в январе. Суть в том, что отдельные атомы алюминия способны объединяться в скопления-кластеры. Эти кластеры ведут себя как индивидуальные атомы, схожие по своим химическим свойствам с галогенами и щелочноземельными металлами.

Однако такие необычные свойства небольших скоплений атомов алюминия были выявлены уже четверть века назад и с тех пор интенсивно изучаются.

Как отмечают специалисты компании Метсплав, в начале 1980-х годов химик из Калифорнийского технологического института Томас Эптон (Thomas Upton) обнаружил, что объединенные шестерки атомов алюминия могут выступать в качестве катализатора в процессе расщепления молекул водорода. Также по отношению к молекулам водорода ведут себя и атомы рутения, металла платиновой группы, который катализирует многие химические реакции. Причина столь странного эффекта в то время не была ясна.

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, схожие с тем, как капельки воды 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.

Подобная закономерность объяснена была довольно быстро. Хорошо известно, что химические свойства каждого элемента, его способность вступать в те или иные реакции, определяются структурой внешней электронной оболочки его атомов, т.е. валентностью. Когда атомы натрия конденсировались в кластеры, их валентные электроны обобществлялись и формировали единую оболочку. В кластерах эти оболочки получались "замкнутыми", целиком заполненными. Именно такими оболочками обладают атомы гелия, неона, аргона и других инертных газов, 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 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. 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 такие же оболочки и у 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. Чтобы легче этого добиться, в качестве реагента использовали ионизированные кластеры, лишенные одного электрона. Еще в прошлом году эти ученые опубликовали информацию о получении комплекса, состоящего из тринадцатиатомного кластера алюминия и атома йода. В своей последней работе 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 щелочноземельный металл - магний, кальций и др.

Говорить об открытии нового класса веществ - полииодидов (продукта соединения суператомов алюминия и иода) 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 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. Возможно, как считают и специалисты компании Метсплав, мы видим зарождение новой ветви химической науки - химии суператомов, которая даст множество выходов в технологию.