Kto rzuca wyzwanie fundamentom nauki?

Jako pierwszy wyzwanie przedstawionym zasadom rzucił Mao-sheng Miao, chemik z University of California w Santa Barbara, który we wrześniu zeszłego roku opublikował obliczenia teoretyczne oparte na podstawowych prawach fizyki i wskazujące na możliwość powstawania związków w których dochodzi do ‘wymiany’ również elektronów umiejscowionych na wewnętrznych powłokach elektronowych. Obliczenia bazowały na potencjalnych związkach cezu i fluoru powstających pod bardzo wysokim ciśnieniem, około 30 GPa (gigapascali). Cez posiada jeden ‘nadmiarowy’ elektron na szóstej powłoce, natomiast fluorowi brak jednego elektronu do konfiguracji niereaktywnego gazu szlachetnego. W normalnych warunkach zatem cez oddaje jeden elektron na atom fluoru tworząc przeciwnie naładowane jony połączone oddziaływaniami elektrostatycznymi, a więc związek o wzorze CsF. Miao zidentyfikował jednak dwie potencjalne struktury, które mogą powstawać i być termodynamicznie stabilne aż do bardzo wysokich ciśnień. Są to trifluorek cezu (CsF₃) oraz pentafluorek cezu (CsF₅). W pierwszym z nich cez ‘dzieli się’ nie tylko swoim elektronem walencyjnym, ale również dwoma elektronami z wewnętrznej powłoki z trzema atomami fluoru, w drugim cez angażuje w wiązanie aż cztery elektrony niewalencyjne. Rozważania naukowców wskazują, że możliwość powstawania tych struktur wiąże się z ich entalpią, a więc miarą całkowitej energii układu przy stałym ciśnieniu. Reakcje chemiczne mają bowiem tendencję do zachodzenia w kierunku wytwarzania produktów o niższej entalpii. Dobranie odpowiednio wysokiego ciśnienia powoduje spadek entalpii wystarczający do tworzenia trwałych struktur.

Wszystko to tylko sucha teoria?

Niezależni naukowcy mówią, że obliczenia Miao wydają się poprawne i faktycznie wskazują na możliwość istnienia nieznanych dotąd struktur, jednak do tej pory nikt nie próbował otrzymać ich w laboratorium. Doświadczenia takie wymagają bowiem specjalistycznego sprzętu i dużej ostrożności. O sprawiające wrażenie nieco łatwiejszych analogiczne rozważania pokusił się jednak jeszcze jeden zespół naukowców. Profesor krystalografii Artem R. Oganov, w grudniu 2013 roku przedstawił bowiem swoje badania ‘zmuszające’ chlorek sodu, czyli powszechną sól kamienną, do tworzenia nowych związków. Do tej pory przeciętnemu gimnazjaliście wbijano do głowy, że sód posiadający ‘nadmiar’ jednego elektronu na swojej powłoce walencyjnej, tworzy z chlorem, mającym ‘niedobór’ ujemnego ładunku w postaci jednego elektronu, tylko jeden jonowy związek o ściśle zdefiniowanym składzie – NaCl, w którym sód ‘oddaje’ elektron walencyjny atomowi chloru. Powstające w ten sposób jony o przeciwnych znakach tworzą stałe oddziaływanie oparte o siły elektrostatyczne, analogicznie do analizowanych przez Miao związków cezu i fluoru. Podobnie jak w tamtym przypadku okazuje się, że również w tutaj pod wpływem wysokiego ciśnienia możliwe jest oddziaływanie elektronów znajdujących się na wewnętrznych powłokach elektronowych analizowanych atomów. Oganov teoretycznie zakładał, że jeżeli zmiesza się podstawowy związek, czyli NaCl z metalicznym sodem to w odpowiednich warunkach można uzyskać związki bogate w sód, a przy zmieszaniu NaCl z czystym chlorem można otrzymać struktury bogate w chlor. W tym przypadku jednak doszło do prób laboratoryjnych. Zespół Aleksandra F. Goncharov’a potwierdził te teorie. W przypadku związków sodu i chloru zastosowanie ciśnienia 200 tysięcy atmosfer doprowadziło bowiem do uzyskania takich struktur jak NaCl₃ , NaCl₇ , Na₃Cl₂ , Na₂Cl i Na₃Cl. Biorąc pod uwagę, że ciśnienie panujące wewnątrz ziemi jest rzędu 3,6 miliona atmosfer, a więc o wiele większe niż zastosowane w obu przedstawionych obliczeniach, dochodzimy do wniosku, że tak naprawdę pewnie niewiele wiemy na temat związków chemicznych w rzeczywistości budujących naszą planetę.

Wyłącznie źródło trudności w szkole?

Przedstawione odkrycia nie tylko wzbogacają naszą wiedzę chemiczną i utrudniają życie uczniom, ale stwarzają szereg nowych możliwości. Zastosowanie odpowiednich warunków może bowiem umożliwić otrzymywanie materiałów o niewystępujących dotąd właściwościach.  Oganov i jego zespół odkryli na przykład dwuwymiarowe metale, w których energia elektryczna przewodzona jest wzdłuż warstw konstruktu. NaCl­₃, bo o nim mowa zbudowany jest z warstw NaCl działających jak izolatory, podczas gdy warstwy czystego sodu przewodzą prąd. Systemy o dwuwymiarowej przewodności elektrycznej już wzbudzają duże zainteresowanie, a to dopiero początki badań. Dodatkowo odkrycia te mogą mieć zastosowanie w wyjaśnianiu zjawisk planetarnych związanych z wysokim ciśnieniem, jak również doświadczeń prowadzonych pod zwiększonym ciśnieniem i dających zaskakujące wyniki. Ustalenie algorytmów obliczeniowych do przewidywania możliwości otrzymania struktur chemicznych o pożądanych właściwościach i wysokiej stabilności może zrewolucjonizować nie tylko chemię ale również przemysł.