Ny opdagelse er stor på nanoskala

Tænk, hvis du kunne se på en lille mængde af et uidentificeret kemisk element - mindre end 100 atomer i størrelse - og vide, hvilken type materiale elementet ville blive i store mængder, før du rent faktisk så den større ophobning.

Den tanke har længe animeret Julius Jellineks arbejde, seniorforsker emeritus i afdelingen Chemical Sciences and Engineering ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory. Hans nylige opdagelse med mangeårige samarbejdspartner Koblar Jackson, en professor i Institut for Fysik ved Central Michigan University, har potentiale til dramatisk at påvirke disciplinen nanoskala videnskab.

Ifølge Jellinek, klassificering af elementer og materialer i store mængder i forskellige typer - metaller, halvledere og isolatorer - er veletableret og forstået. Men identifikationen af ​​materialetyper på nanoskalaen er ikke så ligetil. Faktisk, selvom udtrykket "nanomaterialer" bruges bredt, nanoskala materialevidenskab er endnu ikke fuldt udviklet.

"Grundstoffer og forbindelser i meget små mængder, eller nanomængder, opfører sig meget anderledes end deres bulk -modstykker, "Forklarede Jellinek. F.eks. små atomklynger af elementer, der er metaller i store mængder, tager kun metalliske egenskaber, når de vokser i størrelse.

Dette fænomen er kendt som størrelsesinduceret overgang til metallicitet, og det fik Jellinek og Jackson til at spørge:Er det muligt at forudsige, hvilken type materiale et uidentificeret element vil være i store mængder udelukkende baseret på de egenskaber, det udviser over et begrænset område af subnano til nanostørrelse?

Svaret viste sig at være et eftertrykkeligt, og lidt overraskende, "Ja."

I deres papir, "Universalitet i størrelsesdrevet evolution mod metallernes polariserbarhed" offentliggjort som en meddelelse i 7. oktober, 2018, udgave af Nanoskala , Jellinek og Jackson viste, at ved at bruge deres tidligere udviklede atomniveau-analyse af polariserbarhed, de kunne forudsige, om et uidentificeret element ville være et metal eller ikke-metal i store mængder ved at se på polariserbarhedsegenskaberne i dets små klynger. (Polariserbarhed beskriver, hvordan systemer og materialer reagerer på et eksternt elektrisk felt.)

I øvrigt, hvis et uidentificeret element vil være et metal i bulk, ved hjælp af de samme polariseringsdata i lille størrelse kan man fastslå dens nøjagtige kemiske identitet.

En anden slående opdagelse, der er rapporteret i avisen, er, at klynger af alle metalliske elementer udvikler sig til metallen i bulk på en universel måde, som målt ved en polariserbarhedsbaseret egenskab, kalder Jellinek og Jackson "graden af ​​metallicitet". Jellinek sagde:"Vi introducerede en ny universel konstant og nye universelle skaleringsligninger i metals fysik."

De nye skaleringsligninger gør det let og ligetil for forskere at bestemme polariserbarheden af ​​enhver størrelsesgruppe af ethvert metallisk element baseret på elementets tilsvarende bulkpolarisering. I fortiden, dette ville have krævet lange - og dyre - beregninger for hver enkelt sag. "Hvad ville have taget dage, uger eller endda måneder at dække en række størrelser tager nu en brøkdel af et sekund ved hjælp af disse universelle ligninger, "Sagde Jellinek.

Måske mest markant, undersøgelsen repræsenterer et stort skridt i opbygningen af ​​grundlaget for nanoskala materialevidenskab; det yder et grundlæggende bidrag til forståelsen af ​​størrelsesudvikling i retning af bulkmetallisk tilstand. (Jellinek sagde, at undersøgelsen indeholder en bestemmelse om mulige undtagelser - det han kalder "eksotiske metaller" - hvis de findes i fremtiden.)

For Jellinek personligt, efter mere end 31 år i Argonne og for nylig havde tiltrådt en emeritusstilling, opdagelsen var særligt tilfredsstillende - og overraskende, fordi han og Jackson oprindeligt forventede at finde noget andet.

"Først håbede vi på at etablere fællesskab i mindre skala inden for forskellige grupper af metalliske elementer, og vi var skuffede over, at resultaterne ikke opfyldte den forventning, "sagde han." Men så så vi, at de forskellige grupper opførte sig universelt. I videnskaben, når noget dukker op anderledes, end du forventer, der ofte viser sig at være nyt og interessant. Imidlertid, det er meget sjældent at opdage noget, der er universelt. "

Jellinek kaldte resultatet en af ​​de fineste ting, han har gjort i sin lange og fornemme karriere, tilføjer:"Derfor er det sjovt at være videnskabsmand. Når du får noget grundlæggende og virkelig nyt, det er en belønning, som intet andet kan erstatte. Den næste opgave er at forsøge at afdække mulige fællestræk, måske endda universalitet, i størrelse-evolution til bulk-tilstanden for elementer, der ikke er metaller. "