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Periodensystem für Moleküle?

10.09.2019

Tokyo Institute of Technology

Abbildung 1. Orbitalmuster für verschiedene strukturelle Symmetrien Das vorgeschlagene Modell berücksichtigt Orbitalmuster, die bestimmten Regeln für viele Arten von Symmetrien entsprechen. Obwohl eine Kugel die höchste geometrische Symmetrie aufweist, gibt es keine echten polyatomaren Arten mit einer sphärischen Symmetrie.

Tokyo Institute of Technology

Abbildung 2. Ein Periodensystem für verschiedene Arten von tetraedrischen Molekülen Im vorgeschlagenen Rahmen gäbe es Sätze von Tabellen für jede Art von Symmetrie, die nach vier Parametern organisiert wären: Gruppen und Perioden (Anzahl der Elektronen), Familien (Anzahl der konstituierenden Atome) und Arten (Art der konstituierenden Elemente).

Wissenschaftler des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) entwickeln Tabellen, die dem Periodensystem der Elemente ähnlich sind, jedoch für Moleküle. Ihr Ansatz könnte für die Vorhersage neuer stabiler Substanzen und die Entwicklung nützlicher Materialien genutzt werden.

Das Periodensystem der Elemente wurde 1869 vorgeschlagen und wurde danach zu einem der Eckpfeiler der Naturwissenschaften. Diese Tabelle wurde entwickelt, um alle Elemente (Atome) der Natur in einem speziellen Layout zu enthalten, das sie in Zeilen und Spalten nach einem ihrer wichtigsten Merkmale, der Anzahl der Elektronen, gruppiert. Wissenschaftler verwenden das Periodensystem seit Jahrzehnten, um die Eigenschaften der damals unbekannten Elemente vorherzusagen, die im Laufe der Zeit in die Tabelle aufgenommen wurden.

Könnte es ein solches Periodensystem für Moleküle geben? Obwohl einige Forscher über diese Möglichkeit nachgedacht und periodische Regeln für die Vorhersage der Existenz bestimmter Moleküle vorgeschlagen haben, waren diese Vorhersagen nur für Atomcluster mit einer quasi-sphärischen Symmetrie gültig, da die Grenzen ihrer eigenen Theorie überschritten wurden. Es gibt jedoch viele Cluster von Atomen mit anderen Formen und anderen Arten von Symmetrien, die mit einem besseren Modell berücksichtigt werden sollten. So schlug ein Forschungsteam von Tokyo Tech, darunter Dr. Takamasa Tsukamoto, Dr. Naoki Haruta, Prof. Kimihisa Yamamoto und Kollegen, einen neuen Ansatz vor, um ein Periodensystem für Moleküle mit mehreren Arten von Symmetrien aufzubauen.

Ihr Ansatz basiert auf einer genauen Beobachtung des Verhaltens der Valenzelektronen von Atomen, die Molekülcluster bilden. Die Valenzelektronen können als "freie" Elektronen in Atomen mit einer äußeren Umlaufbahn betrachtet werden, so dass sie mit den Elektronen anderer Atome zu Verbindungen interagieren können. Wenn mehrere Atome einen Cluster mit symmetrischer Form bilden, neigen ihre Valenzelektronen dazu, bestimmte Molekülorbitale zu besetzen, die als "superatomare Orbitale" bezeichnet werden, in denen sie sich fast genau so verhalten, als wären sie die Elektronen eines riesigen Atoms.

Unter Berücksichtigung dieser Tatsache und der Analyse der Auswirkungen der strukturellen Symmetrien für Cluster (Abb. 1) schlugen die Forscher "symmetrisch angepasste Orbitalmodelle (SAO)" vor, die mit mehreren bekannten Molekülen sowie modernsten quantenmechanischen Berechnungen übereinstimmen. Die neuen Periodentabellen, die für jeden Symmetrietyp erstellt würden, wären tatsächlich vierdimensional, wie in Abb. 2 dargestellt, da die Moleküle nach vier Parametern angeordnet wären: Gruppen und Perioden (basierend auf ihren "Valenzelektronen", ähnlich dem normalen Periodensystem), Arten (basierend auf den konstituierenden Elementen) und Familien (basierend auf der Anzahl der Atome).

Der SAO-Ansatz ist im Bereich der Werkstoffgestaltung sehr vielversprechend. "Moderne Synthesetechniken ermöglichen es uns, viele innovative Materialien auf Basis des SAO-Modells herzustellen, wie beispielsweise leichte magnetische Materialien", sagt Prof. Yamamoto. Der Weg für die Wissenschaftler besteht darin, diese Tabellen zu Molekülclustern mit anderen Formen und Symmetrien weiter auszubauen und stabile Moleküle vorherzusagen, die noch entwickelt werden müssen. "Unter den unendlichen Kombinationen von konstitutiven Elementen wird das vorgeschlagene Periodensystem ein wichtiger Beitrag zur Entdeckung neuer funktioneller Materialien sein", schließt Prof. Yamamoto.

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