Het periodiek systeem der elementen werd in 1869 voorgesteld, en werd daarna een van de hoekstenen van de natuurwetenschappen. Deze tabel is ontworpen om alle elementen uit de natuur te bevatten in een speciale lay-out die ze in rijen en kolommen groepeert volgens een van hun belangrijkste kenmerken, het aantal elektronen. Wetenschappers gebruiken het periodiek systeem al tientallen jaren om de kenmerken van de toen nog onbekende elementen te voorspellen. die in de loop van de tijd aan de tabel zijn toegevoegd.

Zou er zo'n periodiek systeem voor moleculen kunnen zijn? Hoewel sommige onderzoekers over deze mogelijkheid hebben nagedacht en periodieke regels hebben voorgesteld om het bestaan ​​van bepaalde moleculen te voorspellen, deze voorspellingen waren alleen geldig voor clusters van atomen met een quasi-sferische symmetrie, vanwege de beperkingen van hun eigen theorie. Echter, er zijn veel clusters van atomen met andere vormen en andere soorten symmetrieën waarmee rekening moet worden gehouden met een beter model. Dus, een onderzoeksteam van Tokyo Tech, waaronder Dr. Takamasa Tsukamoto, Dr. Naoki Haruta, Prof. Kimihisa Yamamoto en collega's, stelde een nieuwe benadering voor om een ​​periodiek systeem te bouwen voor moleculen met meerdere soorten symmetrieën.

Hun benadering is gebaseerd op een scherpe observatie van het gedrag van de valentie-elektronen van atomen die moleculaire clusters vormen. De valentie-elektronen kunnen worden beschouwd als "vrije" elektronen in atomen met een buitenste orbitaal, en dus kunnen ze een interactie aangaan met de elektronen van andere atomen om verbindingen te vormen. Wanneer meerdere atomen een cluster vormen met een symmetrische vorm, hun valentie-elektronen hebben de neiging om specifieke moleculaire orbitalen te bezetten die "superatomaire orbitalen" worden genoemd. " waarin ze zich bijna precies gedragen alsof ze de elektronen van een enorm atoom zijn.

Door dit feit te overwegen en de effecten van de structurele symmetrieën voor clusters te analyseren (figuur 1), de onderzoekers voorgesteld "symmetrie-aangepaste orbitale (SAO) modellen, " die in overeenstemming zijn met meerdere bekende moleculen en state-of-the-art kwantummechanische berekeningen. De nieuwe periodieke tabellen, die zou worden gemaakt voor elk type symmetrie, zou eigenlijk vierdimensionaal zijn, zoals getoond in Fig. 2, omdat de moleculen zouden worden gerangschikt volgens vier parameters:groepen en perioden (op basis van hun "valentie"-elektronen, vergelijkbaar met het normale periodiek systeem), soorten (op basis van de samenstellende elementen), en families (op basis van het aantal atomen).

De SAO-aanpak is veelbelovend op het gebied van materiaalontwerp. "Moderne synthesetechnieken stellen ons in staat om veel innovatieve materialen te produceren op basis van het SAO-model, zoals lichtgewicht magnetische materialen, " stelt prof. Yamamoto. De weg die voor wetenschappers ligt, ligt in het verder uitbreiden van deze tabellen naar moleculaire clusters met andere vormen en symmetrieën en het voorspellen van stabiele moleculen die nog moeten worden ontwikkeld. "Onder de oneindige combinaties van constitutieve elementen, het voorgestelde periodiek systeem zal een belangrijke bijdrage leveren aan de ontdekking van nieuwe functionele materialen, " concludeert prof. Yamamoto.