Графическое выражение открытого Д. И. Менделеевым периодического закона, периодическая система (таблица) элементов — один из краеугольных камней естественных наук.
В периодической таблице все элементы (атомы) сгруппированы в строки и столбцы в соответствии с одной из их наиболее важных характеристик — числом электронов. Учёные десятилетиями использовали периодическую таблицу Менделеева для предсказания характеристик неизвестных ещё элементов и пополняли её.
Можно ли создать подобную периодическую таблицу для молекул?
Некоторые исследователи рассматривали такую возможность и предлагали периодические правила для предсказания существования определённых молекул.
Такие предсказания срабатывали не всегда — только для кластеров атомов с квазисферической симметрией. Однако есть множество кластеров атомов других форм и типов симметрии. Это должно быть учтено.
Исследовательская группа из Токийского технологического института (яп. 東京工業大学, англ. Tokyo Institute of Technology, Tokyo Tech), в которую вошли доктор Такамаса Цукамото (яп. кандзи 塚本 孝政, англ. Takamasa Tsukamoto), доктор Наоки Харута(яп. кандзи 春田 直毅, англ. Naoki Haruta), профессор Кимихиса Ямамото (яп. кандзи 山元公寿, англ. Kimihisa Yamamoto) и их коллеги, предложила новый подход к построению периодической системы молекул с несколькими типами симметрий.
Подход основан на тщательном наблюдении за поведением валентных электронов атомов, образующих молекулярные кластеры.
Валентные электроны — это «свободные» электроны, находящиеся на внешней оболочке атома, именно они могут взаимодействовать с электронами других атомов — таким образом образуются соединения. Когда несколько атомов образуют кластер симметричной формы, их валентные электроны, как правило, занимают определённые молекулярные орбитали (их можно назвать сверхатомными орбиталями) и ведут себя почти так же, как если бы они были электронами огромного атома.
Рассмотрев этот факт и проанализировав эффекты структурных симметрий для кластеров (Рис.1), исследователи сделали выводы.
Они предложили «адаптированные к симметрии орбитальные модели (SAO)», которые согласуются с известными молекулами, а также современными квантово-механическими расчётами. Новые периодические таблицы, которые будут созданы для каждого типа симметрии, фактически будут четырёхмерными, как показано на рис. 2. Молекулы распределены в соответствии с четырьмя параметрами: группы и периоды (на основе их «валентных» электронов, аналогично привычной периодической таблице элементов), виды (на основе составляющих элементов) и семейства (на основе числа атомов).
Подход перспективен в области проектирования материалов.
«Современные методы синтеза позволят нам производить много инновационных материалов на основе моделей SAO, например, лёгкие магнитные материалы», — утверждает профессор Ямамото.
Исследователям предстоит дальнейшее расширение таблиц — включение в них молекулярных кластеров других форма и симметрий. Предстоит увеличить точность предсказания образования стабильных молекул.
«Предложенная периодическая таблица станет значительным вкладом в открытие новых функциональных материалов», — с оптимизмом смотрит в будущее профессор Ямамото.