Propriétés métalliques prédites pour l’astatine

C’est l’un des éléments chimiques les plus mystérieux. Tout le monde sait que l’astatine, l’élément 85, se trouve au bas du groupe des halogènes, mais personne ne sait à quoi il ressemble. L’astatine est l’élément naturel le plus rare et n’a pas d’isotopes stables: la plus longue durée de vie a une demi-vie de seulement 8,1 heures. Personne n’en a donc jamais obtenu assez pour être visible à l’œil nu.

Si cela se produit, de nouveaux calculs des premiers principes publiés dans Physical Review Letters prédisent qu’il s’agira d’un solide métallique. Ce n’est peut-être pas si surprenant étant donné que l’iode, l’halogène au-dessus dans le tableau périodique, est lui-même un solide argenté foncé (bien que pas vraiment métallique lui-même) et que le point de fusion de l’astatine est de 302oC. Mais la vraie surprise des nouveaux résultats est que le solide ne serait pas composé de molécules diatomiques, comme tous les autres halogènes, mais serait monatomique. Les calculs ont été effectués par Andreas Hermann, maintenant à l’Université d’Édimbourg en Écosse, et les théoriciens chevronnés Roald Hoffmann et Neil Ashcroft de l’Université Cornell à Ithaca, New York.

Le physicien théoricien Yanming Ma de l’Université Jilin de Changchun, en Chine, qui a travaillé sur les phases solides à haute pression des autres halogènes, appelle cela « un article merveilleux. »Les auteurs présentent des preuves convaincantes de ce comportement surprenant de l’astatine solide », dit-il, ajoutant que la surprise est double: « sa forme non moléculaire et sa métallicité à la pression ambiante.’

Ce comportement serait facile à passer à côté, car il ne se manifeste que lorsque les calculs tiennent pleinement compte des effets de la relativité restreinte sur la structure électronique des atomes très lourds : l’augmentation de la masse effective des électrons en mouvement rapide à proximité du noyau massif. De tels effets sont connus pour avoir des conséquences importantes pour les éléments lourds, donnant à l’or sa teinte jaune et au mercure son point de fusion bas.

Importance du couplage d’orbite de spin

Dans les calculs de densité fonctionnelle de la structure électronique des molécules et des matériaux, les effets relativistes sont généralement divisés en deux composantes. L’approximation dite scalaire ne considère que les effets de la très grande vitesse des électrons, alors que leur énergie est également affectée par le couplage spin-orbite entre le spin électronique et le champ magnétique créé par les mouvements des électrons autour du noyau. Hermann et ses collègues ont découvert qu’un calcul scalaire-relativiste prédisait un état fondamental diatomique pour l’astatine, alors que la forme monatomique n’apparaissait qu’avec le couplage spin-orbite inclus. « Ces effets influencent la propension des atomes à former certaines liaisons et structures cristallines, généralement en réduisant les énergies de liaison moléculaire », explique Hermann. Des calculs antérieurs ont indiqué que dans la phase gazeuse, l’astatine formerait encore une molécule diatomique faiblement liée.

L’état solide entièrement relativiste n’a pas de bande interdite entre les électrons de valence et de conduction: c’est un métal même à pression ambiante. En fait, par analogie avec l’iode à haute pression, les chercheurs disent que l’astatine pourrait même être un supraconducteur.

L’élément 117, en dessous de l’astatine, a été synthétisé en 2010, et on s’attendrait à ce que les effets relativistes soient encore plus forts. « Je suppose que ce serait un métal monatomique faiblement lié », dit Hermann. « Mais je suis prêt à être surpris.’

Reste à savoir si les prédictions seront un jour testées expérimentalement. L’astatine doit généralement être synthétisée artificiellement par des réactions nucléaires – elle a été fabriquée de cette façon pour la première fois en 1940 par des scientifiques de l’Université de Californie à Berkeley. Il est tellement radioactif qu’un morceau d’astatine solide serait vaporisé presque instantanément. Mais Hermann reste optimiste. ‘Avec un refroidissement actif du substrat, on pourrait être en mesure de stabiliser un film mince pendant une période suffisamment longue », dit-il.

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