Van Mendelejevgetallen en chemische ruimte tot materiaaleigenschappen

Hardheidskaart

Deze kaart geeft verbindingen aan met de grootste hardheid (afb: Artem Organov)

Ik zal wel iets gemist hebben, maar ik had nog nooit van Mendelejevgetallen gehoord. Mendelejev was de eerste die op het idee van een periodiek systeem der elementen kwam. Dat Mendelejevgetal schijnt een getal te zijn dat iets zegt over de eigenschappen van scheikundige verbindingen. In de jaren 80 zijn die berekend (geschat?) door de Britse in 2017 overleden natuurkundige David Pettifor, maar kennelijk heeft die stil gehouden hoe. Nu denken onderzoekers van het Russische Skoltechinstituut het mysterie te hebben opgelost en ‘kaarten’ te kunnen maken waarmee de eigenschappen van verbindingen kunnen worden voorspeld.
Al lang is geprobeerd een systeem te bedenken waarmee aan de hand de scheikundige samenstelling is te voorspellen welke eigenschappen een verbinding zal hebben. In die zoektocht is het begrip scheikundige ruimte geboren. Dat is een soort grafische voorstelling waarbij naburige scheikundige elementen en verbindingen zijn uitgezet langs assen met overeenkomstige eigenschappen. Dat idee komt van Pettifor die daarmee in ’84 op de proppen komt en die aan elk element een Mendelejevgetal toekende.
Het was niet duidelijk wat dat getal voorstelde en hoe dat was ontstaan. In het persbericht wordt er niet over gesproken, maar kennelijk heeft niemand het Pettifor gevraagd het uit te leggen of is die er niet in geslaagd dat duidelijk te maken.
Nu schijnen/denken die Koltech-onderzoekers een oplossing bedacht te hebben, waarbij zij zich baseerden op de fundamentele eigenschappen van atomen. Ze zouden aannemelijk hebben gemaakt dat zowel de Mendelejevgetallen als de chemische ruimte die daar omheen gebouwd is effectiever zijn dan andere oplossingen om eigenschappen van verbindingen te voorspellen.

Mensen zijn voortdurend op zoek naar nieuwe materialen met gezochte nieuwe eigenschappen. We hoeven maar te denken aan de speurtocht naar hogetemperatuursupergeleiders of aan materiaal voor zonnecellen. Het is dan uiterst handig om systeem aan te brengen in de kennis van de gigantische hoeveelheid bekende en hypothetische verbindingen om daarmee die speurtocht wat makkelijker te maken. Je kunt natuurlijk allerlei verbindingen bedenken en die proberen te synthetiseren en (als dat al lukt) de eigenschappen meten of (als dat niet lukt) die eigenschappen theoretische berekenen, maar dat is een onmogelijk project. Dat moet anders.

Chemische ruimte

Pettifor kwam met het idee van de chemische ruimte in een poging wat orde te scheppen in de kennis over materialen/verbindingen. In zo’n grafische voorstelling van de chemische ruimte voor elementen hebben buren, bijvoorbeeld natrium en kalium, overeenkomstige eigenschappen. De punten in de chemische ruimte voor verbindingen vertegenwoordigen chemische structuren, waarbij de buren overeenkomstige eigenschappen zoals NaCl en KCl (natrium- en kaliumchloride).
Als je zo’n chemische ruimte hebt (van verbindingen neem ik aan) dan kun je een algoritme maken om het beste materiaal te zoeken dat voldoet aan bepaalde eigenschappen. Om zo’n ‘slimme’ kaart te maken bedachten Artem Organov en Zahed Allahyari een eigen oplossing om die eigenschappen te kunnen voorspellen, beter dan met de tot nu toe gehanteerde methodes.

Zoals gezegd was duister hoe Pettifor zijn Mendelejevgetallen afleidde en wat ze nu eigenlijk voorstelden. Organov: “Dat heb ik me vijftien jaar afgevraagd (toen was Pettifor nog onder de levenden; as) tot ik me realiseerde dat die getallen waarschijnlijk waren gebaseerd op de fundamentele eigenschappen van atomen zoals straal, elektronegativiteit, poliseerbaarheid en chemische waardigheid. Die waardigheid is verschillend voor veel elementen en de poliseerbaarheid is sterk gecorreleerd aan de elektronegativiteit. Dan blijven elektronegativiteit en straal over die kunnen worden teruggebracht tot een eigenschap door een eenvoudige wiskundige omzetting. Daar gaan we: we krijgen een Mendelejevgetal dat de beste manier is om de eigenschappen van een atoom te beschrijven.”
Met die berekende getallen schikten de onderzoekers de elementen op zowel de x- als de y-as. Elk punt in de ruimte komt overeen met alle verbindingen van de overeenkomende elementen. In die ruimte kun je de al of niet theoretische eigenschappen van materialen weergeven zoals hardheid, magnetiseerbaarheid enz. Zo’n ‘kaart’ zou dan de zachtste of hardste verbindingen weergeven of welke materialen magnetisch zijn (te maken) of supergeleidend.

Bron: EurekAlert

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.