Astatiinille ennustetut metalliset ominaisuudet

se on yksi salaperäisimmistä alkuaineista. Kaikki tietävät, että astatiini, alkuaine 85, istuu halogeeniryhmän pohjalla, mutta kukaan ei tiedä, miltä se näyttää. Astatiini on harvinaisin luonnossa esiintyvä alkuaine, eikä sillä ole vakaita isotooppeja: pitkäikäisimmän puoliintumisaika on vain 8,1 tuntia. Kukaan ei siis ole koskaan saanut sitä niin paljon, että se näkyisi paljaalla silmällä.

Jos näin joskus käy, Physical Review Lettersissä julkaistut uudet first-principles-laskelmat ennustavat sen olevan metallinen kiinteä aine. Se ei ehkä ole niin yllättävää, kun otetaan huomioon, että jodi, sen yläpuolella jaksollisessa järjestelmässä oleva halogeeni, on itsessään tumma hopeanhohtoinen kiinteä aine (joskaan ei varsinaisesti metallinen) ja että astatiinin sulamispiste on 302oc. Uusien tulosten todellinen yllätys on kuitenkin se, että kiinteä aine ei koostuisi diatomisista molekyyleistä, kuten kaikki muut halogeenit, vaan olisi yksiatomisia. Laskelmat tekivät Andreas Hermann, joka työskentelee nykyään Edinburghin yliopistossa Skotlannissa, sekä veteraaniteoreetikot Roald Hoffmann ja Neil Ashcroft Cornellin yliopistosta Ithacasta New Yorkista.

teoreettinen fyysikko Yanming Ma Kiinan Changchunissa sijaitsevasta Jilinin yliopistosta, joka on tutkinut muiden halogeenien korkeapaineisia kiinteitä faaseja, kutsuu tätä ” ihmeelliseksi tutkielmaksi.”Kirjoittajat esittävät vakuuttavia todisteita tästä kiinteän astatiinin yllättävästä käyttäytymisestä’, hän sanoo ja lisää, että yllätys on kaksitahoinen: ’sen epämolekyylinen muoto ja sen metallisuus ympäristön paineessa.”

tämä käyttäytyminen olisi helppo ohittaa, koska se ilmenee vasta, kun laskelmissa otetaan täysimääräisesti huomioon erityisen suhteellisuusteorian vaikutukset hyvin raskaiden atomien elektronirakenteeseen: nopeasti liikkuvien elektronien tehollisen massan kasvu massiivisen ytimen lähellä. Tällaisilla vaikutuksilla tiedetään olevan merkittäviä seurauksia raskaille alkuaineille, ja ne antavat tunnetusti kullalle sen keltaisen sävyn ja elohopealle sen matalan sulamispisteen.

spin-kiertoratakytkennän merkitys

molekyylien ja materiaalien elektronisen rakenteen tiheysfunktionaalisissa laskelmissa relativistiset vaikutukset jaetaan yleisesti kahteen osaan. Niin kutsutussa skalaarisessa approksimaatiossa tarkastellaan vain elektronien hyvin suuren nopeuden vaikutuksia, kun taas niiden energiaan vaikuttaa myös elektronien Spinin ja elektronien liikkeistä ytimen ympärille syntyvän magneettikentän välinen spin-orbit-kytkentä. Hermann ja kollegat havaitsivat, että skalaarirelativistinen laskelma ennusti astatiinille diatomisen maan tilan, kun taas monatominen muoto esiintyi vain spin-orbit-Kytkimen mukana. ”Nämä vaikutukset vaikuttavat atomien taipumukseen muodostaa tiettyjä sidoksia ja kiderakenteita, yleensä vähentämällä molekyylien sidosenergioita”, sanoo Hermann. Aiemmat laskelmat ovat osoittaneet, että kaasufaasissa astatiini muodostaisi vielä heikosti sitoutuneen diatomisen molekyylin.

täysin relativistisessa kiinteässä tilassa ei ole kaistaa valenssi-ja johtumiselektronien välillä: se on metallia myös ympäristön paineessa. Itse asiassa korkeapaineisen jodin analogisesti tutkijat sanovat, että astatiini saattaa olla jopa suprajohde.

Astatiinin alapuolella oleva alkuaine 117 syntetisoitiin vuonna 2010, ja sen odotettiin kokevan vielä voimakkaampia relativistisia vaikutuksia. ”Arvelisin, että se olisi heikosti sitoutunut yksiatominen metalli”, Hermann sanoo. Mutta olen valmis yllättymään.”

jää nähtäväksi, kokeillaanko ennusteita koskaan. Astatiinia on yleensä syntetisoitava keinotekoisesti ydinreaktioilla-näin tekivät ensimmäisen kerran Kalifornian yliopiston tutkijat Berkeleyssä vuonna 1940. Se on niin radioaktiivista, että kiinteä astatiinikimpale höyrystyisi lähes välittömästi. Hermann pysyy kuitenkin optimistisena. ”Substraatin aktiivisella jäähdyttämisellä voidaan ehkä vakauttaa ohut kalvo riittävän pitkäksi aikaa”, hän sanoo.

You might also like

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.