Föreställ dig om du kunde titta på en liten mängd av ett oidentifierat kemiskt grundämne – mindre än 100 atomer i storlek – och veta vilken typ av material grundämnet skulle bli i stora mängder innan du faktiskt såg den större ansamlingen.

Den tanken har länge animerat Julius Jellineks verk, senior forskare emeritus inom avdelningen Chemical Sciences and Engineering vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory. Hans senaste upptäckt med mångårig kollaboratör Koblar Jackson, en professor vid institutionen för fysik vid Central Michigan University, har potential att dramatiskt påverka vetenskapen i nanoskala.

Enligt Jellinek, klassificering av grundämnen och material i bulkmängder i olika typer – metaller, halvledare och isolatorer – är väl etablerad och förstådd. Men identifieringen av typer av material på nanoskalan är inte så enkel. Faktiskt, även om termen "nanomaterial" används i stor utsträckning, materialvetenskap i nanoskala har ännu inte utvecklats fullt ut.

"Element och föreningar i mycket små mängder, eller nanokvantiteter, beter sig väldigt annorlunda än sina bulkmotsvarigheter, " förklarade Jellinek. Till exempel, små atomkluster av element som är metaller i bulkmängder får bara metalliska egenskaper när de växer i storlek.

Detta fenomen är känt som storleksinducerad övergång till metallicitet, och det fick Jellinek och Jackson att fråga:Är det möjligt att förutsäga vilken typ av material ett oidentifierat element kommer att vara i bulkkvantiteter enbart baserat på egenskaperna det uppvisar över ett begränsat område av subnano- till nanostorleksregimen?

Svaret visade sig vara ett eftertryckligt, och något överraskande, "ja."

I deras tidning, "Universalitet i storleksdriven evolution mot bulkpolariserbarhet av metaller" publicerad som ett meddelande i den 7 oktober, 2018, frågan om Nanoskala , Jellinek och Jackson visade att genom att använda deras tidigare utvecklade analys av polariserbarhet på atomnivå, de kunde förutsäga om ett oidentifierat element skulle vara en metall eller icke-metall i bulkmängder genom att titta på polariserbarhetsegenskaperna hos dess små kluster. (Polariserbarhet beskriver hur system och material reagerar på ett externt elektriskt fält.)

Dessutom, om ett oidentifierat element kommer att vara en metall i bulk, genom att använda samma små polariserbarhetsdata kan man fastställa dess exakta kemiska identitet.

En annan slående upptäckt som rapporteras i tidningen är att kluster av alla metalliska element utvecklas till det bulkmetalliska tillståndet på ett universellt sätt, som mäts av en polariserbarhetsbaserad egenskap kallar Jellinek och Jackson "graden av metallicitet". Sa Jellinek:"Vi introducerade en ny universell konstant och nya universella skalekvationer i metallernas fysik."

De nya skalekvationerna gör det enkelt och okomplicerat för forskare att bestämma polariserbarheten för valfri storlekskluster av ett metalliskt element baserat på elementets motsvarande bulkpolariserbarhet. Förr, detta skulle ha krävt långa – och kostsamma – beräkningar för varje enskilt fall. "Vad skulle ha tagit dagar, veckor eller till och med månader att täcka ett intervall av storlekar tar nu en bråkdel av en sekund med dessa universella ekvationer, sa Jellinek.

Kanske viktigast, studien representerar ett stort steg i att bygga upp grunderna för materialvetenskap i nanoskala; den ger ett grundläggande bidrag till förståelsen av storleksutvecklingen mot det bulkmetalliska tillståndet. (Jellinek sa att studien innehåller en bestämmelse för möjliga undantag - vad han kallar "exotiska metaller" - om de skulle hittas i framtiden.)

För Jellinek personligen, efter mer än 31 år på Argonne och nyligen tillträtt emeritus, upptäckten var särskilt tillfredsställande – och överraskande, eftersom han och Jackson ursprungligen förväntade sig att hitta något annat.

"Först hoppades vi på att etablera gemensamhet i mindre skala inom olika grupper av metalliska element, och vi var besvikna över att resultaten inte uppfyllde den förväntningen, " sa han. "Men sedan såg vi att de olika grupperna uppträdde på ett universellt sätt. I vetenskap, när något dyker upp annorlunda än vad man förväntar sig som ofta visar sig vara nytt och intressant. Dock, det är väldigt sällan man upptäcker något som är universellt."

Jellinek kallade resultatet för en av de finaste sakerna han har gjort i sin långa och framstående karriär, tillägger:"Det är därför det är roligt att vara vetenskapsman. När du får något grundläggande och verkligt nytt, det är en belöning som inget annat kan ersätta. Nästa uppgift är att försöka avslöja möjliga gemensamma drag, kanske till och med universalitet, i storleksutveckling till bulktillståndet för element som inte är metaller."