"Superatom" är ett namn som ges till ett kluster av atomer som verkar uppvisa egenskaper som liknar elementära atomer. Forskare har visat särskilt intresse för superatomära strukturer, eftersom de kan kopplas samman med atomer för att producera molekyler, och potentiellt användas för att ersätta vissa element i många applikationer.

Men för att superatomer ska kunna användas effektivt, de måste vara speciellt skräddarsydda för att likna egenskaperna hos motsvarande element. Denna omvandling beror på den specifika kombinationen av elektroner som används. Till exempel, när en aluminiumatom med 3 valenselektroner (elektroner från det yttre skalet som kan bidra till bildandet av kemiska bindningar) läggs till superatomen av aluminium-13, egenskaperna ändras till egenskaperna hos en superatom av aluminium-14. På grund av denna modifierbarhet av superatomer, att undersöka dem och förstå dem ytterligare är viktigt. Men tidigare forskning har huvudsakligen varit teoretisk, och till stor del fokuserad på enstaka kluster. Forskning har inte heller kunnat syntetisera superatomära kluster med tillräcklig volym och stabilitet för praktisk tillämpning.

I en nyligen genomförd studie, forskare från Tokyo Tech och ERATO Japan Science and Technology, ledd av Dr. Tetsuya Kambe och Prof Kimihisa Yamamoto, tillverkade kluster av grundämnet gallium (Ga) i lösning för att demonstrera effekterna av att ändra antalet atomer i ett kluster på klustrets egenskaper. Teamet syntetiserade Ga-kluster av 3, 12, 13 och andra antal atomer med hjälp av en specialiserad superatomsyntes. För att karakterisera och analysera de strukturella skillnaderna mellan de syntetiserade klustren, transmissionselektronmikroskopiska bilder togs och beräkningar utfördes med hjälp av beräkningsverktyg.

Masspektrometrin avslöjade att 13- och 3-atomklustren hade superatomisk periodicitet. Det 13-atomiga klustret skilde sig från de andra klustren strukturellt och elektrokemiskt. Men 3-atomklustret med väte (Ga ₃ H ₂ ) reducerades till Ga ₃ H ₂ - och inte upptäcktes, vilket tyder på en låg stabilitet hos detta kluster när det syntetiseras i lösningsmediet.

Förmågan att förändra klustren förstärker konceptet att strukturella förändringar kan induceras i superatomer. Beskriver konsekvenserna av deras resultat, forskarna förklarar:"Denna serie av resultat visar att det är möjligt att förändra valenselektronerna i superatomkluster i lösning genom att kontrollera antalet ingående atomer. Detta i sin tur möjliggör utformning och beredning av superatomer."

Denna studie banar väg för framtida forskning för att undersöka användningen av superatomer som substitut för grundämnen. Som Dr Kambe, Prof Yamamoto och teamet upprepar, "superatomen avslöjar en attraktiv strategi för att skapa nya byggstenar genom användning av klusterstrukturer."