Предварительная, не совсем точная информация об открытии "суператомов" алюминия появилась в Рунете еще в январе. Речь о том, что отдельные атомы алюминия способны объединяться в скопления-кластеры, которые ведут себя как индивидуальные атомы, чьи химические свойства обладают немалым сходством со свойствами галогенов и щелочноземельных металлов.

На самом деле парадоксальные свойства небольших скоплений атомов алюминия были выявлены без малого четверть века назад и с тех пор интенсивно изучаются. Новое исследование на эту тему было выполнено 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 и получил в этой области важнейшие результаты. При этом об открытии "нового класса веществ - полииодидов (продукта соединения суператомов алюминия и иода)" говорить 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 начале 1980-х годов химик из Калифорнийского технологического института Томас Эптон (Thomas Upton) обнаружил, что объединенные шестерки атомов алюминия катализируют процесс расщепления молекул водорода. То же самое могут делать и атомы рутения, металла платиновой группы, который катализирует многие химические реакции. Открытие Эптона означало, что кластеры Al₆ по отношению к молекулам водорода ведут себя наподобие атомов этого платиноида. Причина столь странного эффекта в то время никак не просматривалась.

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, аналогичные капелькам воды, которые 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.

Эту закономерность удалось довольно быстро объяснить. Хорошо известно, что химические свойства каждого элемента (иначе говоря, его способность вступать в те или иные реакции) определяются прежде всего структурой внешней электронной оболочки его атомов (входящие в нее электроны называются валентными). Когда атомы натрия конденсировались в кластеры, их валентные электроны обобществлялись и формировали единую оболочку. Теоретические расчеты показали, что при формировании "магических" кластеров эти оболочки получались "замкнутыми", целиком заполненными. Именно такими оболочками обладают атомы гелия, неона, аргона и других благородных газов, химических элементов VIII группы периодической системы, 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 уже упоминавшимся Велфордом Кастлеманом. 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 таковы же оболочки 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. Расчеты показали, что этого будет легче добиться, если в качестве реагента использовать ионизированные кластеры, лишенные одного электрона. Еще в прошлом году эти ученые опубликовали информацию о получении комплекса, состоящего из тринадцатиатомного кластера алюминия и атома иода. А вот в своей последней работе, которая в январе появилась в Science, 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 магний, кальций и др.

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. Не исключено, что со временем появится новая плодоносная ветвь химической науки, химия суператомов, которая даст множество выходов в технологию.

Источники:

D. E. Bergeron, P. J. Roach, A. W. Castleman, Jr., N. O. Jones, and S. N. Khanna
AL Cluster Superatoms as Halogens in Polyhalides and as Alkaline Earths in Iodide Salts
Science 14 January 2005: 231-235

A New Kind of Alchemy
New Scientist, online edition, 16 April 2005