美發現認識元素周期表的新視角

將金屬鉛轉變成黃金或許永遠是個神話，不過與其相類似的“煉丹術”不僅可能，而且還相當廉價。美國賓州大學3名研究人員日前發表文章說，他們發現某些元素原子的組合所顯示的電子特征同其他元素的電子特征相仿。研究小組帶頭人艾伯特·卡斯爾曼教授表示，此發現有望幫助人們獲得更廉價的廣泛應用于新能源、環境治理和催化劑的材料。
　　研究人員同時還向人們展示，在完成的原子合成研究中，他們所驗證的那些原子通過簡單地查看元素周期表就能預測到。研究小組利用先進的實驗和理論對這些嶄新和意外的發現進行了量化分析。卡斯爾曼教授認為，他們開創了認識元素周期表的新視角。相關研究成果發表在近期的《美國國家科學院院刊》網站上。
　　卡斯爾曼領導的研究小組另外兩名成員分別是塞繆爾·培泊尼克和達斯薩·古納偌特恩。培泊尼克曾是賓州大學的研究生，現為太平洋西北國家實驗室的博士后研究員；古納偌特恩仍是賓州大學的研究生。在研究中，他們利用光電子成像光譜技術，分析研究了一氧化鈦和金屬鎳、一氧化鋯和金屬鈀，以及碳化鎢和白金兩兩之間的相同點。
　　卡斯爾曼介紹說：“光電光譜儀可測量將原子或分子中電子從各種能態移出（或去除）所需的能量，與此同時用電子相機將去除電子過程的分步圖拍攝下來。如此方法允許我們了解電子的結合能，并觀測電子在被從原子中去掉前所處在的電子軌道的自然狀況。我們發現，從一氧化鈦分子中去除電子所需的能量同從鎳原子中去除電子所需的能量相同。同樣，一氧化鋯和金屬鈀以及碳化鎢和白金的情況也是這樣。這3對物質的關鍵點是它們兩兩之間具有等電子體結構，也就是說它們兩兩之間具有相同的（外層）電子排布。”他強調，等電子體在這里主要是指原子或分子的外層電子數目。
　　在光電光譜儀拍攝的成像中，研究小組研究的3對物質兩兩之間代表著電子從原子外層被去除時所發出的釋放能量的亮點看起來相似，圖表也顯示兩兩物質之間能量峰值相近，同樣理論計算的結果表明它們的能級也相匹配。
　　卡斯爾曼解釋說，一氧化鈦、一氧化鋯和碳化鎢分別是金屬鎳、金屬鈀和白金的“超級原子”。所謂“超級原子”是一簇帶有元素原子某些特征的原子。卡斯爾曼過去的實驗室涉及到超級原子概念的研究，其中一項實驗顯示，由13個金屬鋁原子組成的原子簇其表現如同一個碘原子，而在鋁原子構成的系統中增加一個電子，其表現則如同一種罕見的氣體原子。進一步研究發現，14個鋁原子組成的原子簇的活動性與一種堿金屬原子的相當。
　　卡斯爾曼新的研究目標是將超級原子想法提高到一個新的高度，并為超級原子概念提供合理的量化基礎。他表示：“這看上去就像我們能預測哪些元素原子的組合可模仿其他的元素原子。比方說，通過查看元素周期表，你便能推測一氧化鈦是鎳的一個超級原子。簡單方法是鈦原子的外層有4個電子，而原子氧的外層有6個電子，在元素周期表中，鈦元素向右移動6個元素便是鎳。鎳原子的外層有10個電子，正好與鈦和氧組合的分子的外層電子數相同。我們曾考慮這個發現肯定是一種不可思議的巧合，于是我們試著用其去了解其他的原子，卻發現存在著同樣的規律。”
　　卡斯爾曼表示，他不知這樣的規律是否適合于整個元素周期表中的所有元素，或者該規律是否只適合表中部分元素。目前，他和研究小組的成員正忙于對過渡金屬元素的分析工作。未來，他們計劃研究了解超級原子是否與其對應的元素原子具有類似的化學性質。
　　對于新研究的應用，卡斯爾曼說：“白金廣泛用于汽車的催化轉化器中，但是它十分昂貴。相反，與白金對應的碳化鎢卻價格低廉。如果汽車催化轉化器制造商能夠利用碳化鎢來取代白金，那么便可以節省大筆的資金。同樣，用于某些內燃過程中的金屬鈀期望能被廉價的一氧化鋯所代替。我們的研究從科學進步和實際應用兩個角度看，都是十分令人振奮的。”