Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ έδωσαν απάντηση σε ένα μακροχρόνιο ερώτημα σχετικά με την ασυνήθιστη μαγνητική συμπεριφορά συστάδων που αποτελούνται από τρία άτομα θορίου. Η μελέτη αποκαλύπτει έναν ιδιαίτερο τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια αναδιοργανώνονται όταν εφαρμόζεται εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.
Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο Nature Communications, βοηθούν να εξηγηθούν οι διαφορές ανάμεσα σε προηγούμενες πειραματικές παρατηρήσεις και θεωρητικούς υπολογισμούς σχετικά με την αρωματικότητα αυτών των μεταλλικών συστημάτων.
Η αρωματικότητα πέρα από τον άνθρακα
Η αρωματικότητα αποτελεί βασική έννοια της χημείας και συνδέεται παραδοσιακά με οργανικές ενώσεις όπως το βενζόλιο. Τα τελευταία χρόνια, όμως, οι επιστήμονες έχουν εντοπίσει μορφές αρωματικότητας και σε συστήματα που αποτελούνται αποκλειστικά από μέταλλα.
Οι συστάδες τριών ατόμων θορίου είχαν παρουσιάσει ενδείξεις μιας μορφής ηλεκτρονικής αποπλοκοποίησης που ονομάζεται αρωματικότητα Jellium. Ωστόσο, τα πειράματα έδειχναν αρωματική συμπεριφορά, ενώ ορισμένοι υπολογισμοί κατέληγαν στο αντίθετο συμπέρασμα.
Μια απρόσμενη μαγνητική αλλαγή
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε συνδυασμό φασματοσκοπίας, ηλεκτροχημείας, κρυσταλλογραφίας, μαγνητικών μετρήσεων και κβαντοχημικών υπολογισμών.
Όλες οι συστάδες θορίου εμφάνισαν έντονο διαμαγνητισμό, ένα χαρακτηριστικό που συνδέεται με την αρωματικότητα. Το αποτέλεσμα παρατηρήθηκε τόσο σε συστήματα με μονήρη ηλεκτρόνια όσο και σε συστήματα με ζεύγη ηλεκτρονίων, υποδεικνύοντας ότι οι συστάδες μπορούν να συμπεριφέρονται ως αρωματικά «υπεράτομα».
Ωστόσο, η συμπεριφορά τους απέναντι στο μαγνητικό πεδίο ήταν ιδιαίτερα ασυνήθιστη. Σε χαμηλές εντάσεις εμφάνιζαν αρχικά μια ασθενή παραμαγνητική απόκριση και στη συνέχεια μετατρέπονταν σε έντονα διαμαγνητικές καθώς το πεδίο αυξανόταν.
Αυτό διαφέρει από οργανικά αρωματικά μόρια όπως το βενζόλιο, το ναφθαλένιο και το ανθρακένιο, τα οποία παρουσιάζουν την αναμενόμενη σχεδόν γραμμική μαγνητική απόκριση.
Τα ηλεκτρόνια αναδιοργανώνονται
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι τα ηλεκτρόνια στις συστάδες θορίου χρειάζονται πρώτα να αναδιοργανωθούν υπό την επίδραση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Μόνο στη συνέχεια δημιουργείται η συνεκτική ηλεκτρονική κίνηση που συνδέεται με την αρωματικότητα.
Αυτό μπορεί να εξηγεί γιατί ορισμένες υπολογιστικές μέθοδοι είχαν οδηγήσει σε αντικρουόμενα συμπεράσματα, καθώς βασίζονταν σε παραδοχές γραμμικής μαγνητικής απόκρισης.
Νέα εικόνα για τον χημικό δεσμό
Η μελέτη δείχνει ότι η αρωματικότητα στα μεταλλικά συστήματα μπορεί να είναι πολύ πιο σύνθετη από την αντίστοιχη στα κλασικά οργανικά μόρια. Οι ερευνητές προειδοποιούν ότι οι υπολογισμοί μαγνητικών ρευμάτων δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται μόνοι τους για τον χαρακτηρισμό ενός συστήματος ως αρωματικού, ιδιαίτερα όταν εμπλέκονται βαριά στοιχεία όπως το θόριο.
Τα νέα αποτελέσματα μπορούν να βοηθήσουν στην καλύτερη κατανόηση των χημικών δεσμών σε ασυνήθιστα μεταλλικά συστήματα και να οδηγήσουν σε πιο αξιόπιστες μεθόδους μελέτης της αρωματικότητας σε ενώσεις βαρέων στοιχείων.