Stel je voor dat je zou kunnen kijken naar een kleine hoeveelheid van een ongeïdentificeerd chemisch element - minder dan 100 atomen groot - en zou weten wat voor soort materiaal het element in grote hoeveelheden zou worden voordat je de grotere ophoping daadwerkelijk zag.

Die gedachte heeft het werk van Julius Jellinek lang bezield, senior wetenschapper emeritus in de afdeling Chemical Sciences and Engineering van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). Zijn recente ontdekking met zijn oude medewerker Koblar Jackson, een professor in de afdeling Natuurkunde aan de Central Michigan University, heeft het potentieel om de discipline van de wetenschap op nanoschaal dramatisch te beïnvloeden.

Volgens Jellinek de indeling van elementen en materialen in bulkhoeveelheden in verschillende soorten - metalen, halfgeleiders en isolatoren – is goed ingeburgerd en begrepen. Maar de identificatie van soorten materialen op nanoschaal is niet zo eenvoudig. In feite, ook al wordt de term "nanomaterialen" veel gebruikt, materiaalwetenschap op nanoschaal moet nog volledig zijn ontwikkeld.

"Elementen en verbindingen in zeer kleine hoeveelheden, of nanohoeveelheden, zich heel anders gedragen dan hun bulktegenhangers, " legde Jellinek uit. Bijvoorbeeld, kleine atomaire clusters van elementen die in grote hoeveelheden metalen zijn, krijgen alleen metaalachtige kenmerken naarmate ze groter worden.

Dit fenomeen staat bekend als de grootte-geïnduceerde overgang naar metalliciteit, en het bracht Jellinek en Jackson ertoe om te vragen:is het mogelijk om te voorspellen welk type materiaal een niet-geïdentificeerd element in bulkhoeveelheden zal zijn, uitsluitend op basis van de eigenschappen die het vertoont over een beperkt bereik van het subnano- tot nano-regime?

Het antwoord bleek een nadrukkelijke, en enigszins verrassend, "Ja."

In hun krant "Universaliteit in groottegedreven evolutie naar bulkpolariseerbaarheid van metalen", gepubliceerd als een mededeling in de 7 oktober, 2018, probleem van nanoschaal , Jellinek en Jackson toonden aan dat door gebruik te maken van hun eerder ontwikkelde analyse op atoomniveau van polariseerbaarheid, ze konden voorspellen of een niet-geïdentificeerd element een metaal of niet-metaal zou zijn in bulkhoeveelheden door te kijken naar de polariseerbaarheidseigenschappen van zijn kleine clusters. (Polariseerbaarheid beschrijft hoe systemen en materialen reageren op een extern elektrisch veld.)

Bovendien, als een niet-geïdentificeerd element een metaal in bulk zal zijn, met behulp van dezelfde kleine polariseerbaarheidsgegevens kan men de exacte chemische identiteit vaststellen.

Een andere opvallende ontdekking die in het artikel wordt vermeld, is dat clusters van alle metalen elementen op een universele manier evolueren naar de bulkmetaaltoestand, zoals gemeten door een op polariseerbaarheid gebaseerde eigenschap die Jellinek en Jackson de 'mate van metalliciteit' noemen. Jellinek zei:"We hebben een nieuwe universele constante en nieuwe universele schaalvergelijkingen in de fysica van metalen geïntroduceerd."

De nieuwe schaalvergelijkingen maken het voor wetenschappers gemakkelijk en ongecompliceerd om de polariseerbaarheid van elke groottecluster van een metalen element te bepalen op basis van de overeenkomstige bulkpolariseerbaarheid van het element. Vroeger, dit zou langdurige – en kostbare – berekeningen voor elk afzonderlijk geval hebben gekost. "Wat zou dagen hebben geduurd, weken of zelfs maanden om een ​​reeks maten te dekken kost nu een fractie van een seconde met behulp van deze universele vergelijkingen, ' zei Jellinek.

Misschien wel het belangrijkste, de studie is een belangrijke stap in de opbouw van de fundamenten van materiaalwetenschap op nanoschaal; het levert een fundamentele bijdrage aan het begrip van de grootte-evolutie naar de bulkmetaaltoestand. (Jellinek zei dat de studie een bepaling bevat voor mogelijke uitzonderingen - wat hij "exotische metalen" noemt - als ze in de toekomst worden gevonden.)

Voor Jellinek persoonlijk, na meer dan 31 jaar bij Argonne en recentelijk een emeritus-functie te hebben ingenomen, de ontdekking was bijzonder bevredigend - en verrassend, omdat hij en Jackson aanvankelijk verwachtten iets anders te vinden.

"Eerst hoopten we op een kleinere schaal gemeenschappelijkheid tot stand te brengen binnen verschillende groepen metalen elementen, en we waren teleurgesteld dat de resultaten niet aan die verwachting voldeden, " zei hij. "Maar toen zagen we dat de verschillende groepen zich op een universele manier gedroegen. In de wetenschap, wanneer iets anders naar voren komt dan je verwacht, blijkt dat vaak nieuw en interessant te zijn. Echter, het is zeer zeldzaam om iets te ontdekken dat universeel is."

Jellinek noemde het resultaat een van de mooiste dingen die hij in zijn lange en voorname carrière heeft gedaan, toe te voegen:"Dit is waarom het leuk is om een ​​wetenschapper te zijn. Als je iets fundamenteels en echt nieuws krijgt, het is een beloning die niets anders kan vervangen. De volgende taak is om te proberen mogelijke overeenkomsten te ontdekken, misschien zelfs universaliteit, in grootte-evolutie naar de bulktoestand voor elementen die geen metalen zijn."