Ta ostatnia – z punktu widzenia nauki – kojarzy się przede wszystkim z chemią organiczną i cząsteczkami pokroju benzenu. W uproszczeniu opisuje ona szczególny sposób rozmieszczenia elektronów, który zwiększa stabilność cząsteczki. Okazuje się jednak, że podobne zjawiska mogą występować również w układach zbudowanych wyłącznie z metali.
Czytaj też: Ta powierzchnia wykonuje obliczenia za pomocą fal elektromagnetycznych. Futurystyczna technologia już działa
Jednym z najbardziej nietypowych przykładów są klastry zawierające trzy atomy toru. Wcześniejsze badania sugerowały, iż mogą one wykazywać aromatyczność związaną ze zdelokalizowanymi elektronami przemieszczającymi się w obrębie całego klastra. Problem pojawił się wtedy, gdy wyniki eksperymentów zestawiano z obliczeniami teoretycznymi. Obie metody nie zawsze prowadziły do tych samych wniosków.
Zespół kierowany przez Steve’a Liddle’a postanowił dokładniej zbadać problem. Naukowcy stworzyli i scharakteryzowali większą rodzinę klastrów zawierających trzy atomy toru, a następnie porównali ich właściwości magnetyczne z zachowaniem klasycznych aromatycznych związków organicznych. W badaniach ich autorzy postawili na wiele różnych metod. Obejmowały one między innymi spektroskopię, elektrochemię, krystalografię, pomiary magnetyczne czy zaawansowane obliczenia chemii kwantowej. Dzięki połączeniu danych eksperymentalnych i teoretycznych udało się wyjaśnić, skąd brały się wcześniejsze rozbieżności.
Okazało się, że wszystkie analizowane klastry toru wykazują wyjątkowo silny diamagnetyzm. Jest to rodzaj reakcji materiału na zewnętrzne pole magnetyczne, który w tym przypadku stanowi sygnał charakterystyczny dla aromatycznego zachowania. Co ciekawe, właściwość ta pojawiała się zarówno w układach z nieparzystą liczbą elektronów, jak i w układach o zamkniętej powłoce elektronowej.
Najbardziej zaskakujące było jednak zachowanie klastrów podczas zwiększania pola magnetycznego. Zamiast reagować od początku w sposób liniowy, początkowo wykazywały słabą odpowiedź paramagnetyczną. Dopiero po zwiększeniu natężenia pola następowało przejście do silnego diamagnetyzmu. To zupełnie inny obraz niż w przypadku znanych związków organicznych, takich jak benzen czy naftalen. Ich reakcja magnetyczna jest zgodna z oczekiwaniami i pozostaje zasadniczo liniowa już od bardzo słabych pól.
Czytaj też: Fizycy rozwiązali zagadkę mionu. Teraz mają kolejny problem
Zdaniem badaczy elektrony w klastrach toru muszą najpierw przeorganizować się pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Dopiero później mogą rozpocząć skoordynowany ruch odpowiedzialny za obserwowaną aromatyczność. Oznacza to, że w tych niezwykłych układach aromatyczne zachowanie nie jest po prostu gotową właściwością struktury, ale może zostać uruchomione przez odpowiedni bodziec zewnętrzny.
Wiemy zatem, dlaczego wcześniejsze obliczenia komputerowe dawały sprzeczne rezultaty. Niektóre modele zakładały liniową reakcję magnetyczną materiału. W przypadku klastrów toru takie założenie okazuje się zbyt dużym uproszczeniem, ponieważ ich odpowiedź na pole jest nieliniowa. W ogólnym rozrachunku uzyskane rezultaty pozwalają lepiej zrozumieć, w jaki sposób może powstawać aromatyczność w układach zbudowanych z ciężkich metali i jak zachowują się w nich elektrony. Mogą również pomóc w opracowaniu dokładniejszych metod przewidywania właściwości niezwykłych związków metali.
Źródło: Nature Communications
