Kjemi er vitenskapen om stoffenes egenskaper, sammensetting og reaksjoner. Forskere innen dette fagfeltet utforsker individuelle atomer og sammensettinger av flere atomer.

Elke Pahl og Krista G. Steenbergen fra Massey University Auckland i New Zealand jobber med teoretisk datamodellering og simuleringer av materialer som består av milliarder av atomer, for å finne deres komposisjon og egenskaper.

– Når vi har data på et atoms sammensetning og egenskaper, forstår vi også hvordan det vil reagere sammen med andre atomer. Med noen få observasjoner av et enkelt atom kan vi lage modeller av hvordan en milliard atomer vil binde seg til hverandre og skape en enhet, forteller Steenbergen.

Supertunge atomer

Ett av grunnstoffene som Pahl og Steenbergen nylig har forsket på, er grunnstoff nummer 112, Copernicium (Cn).

Copernicium er et kunstig fremstilt grunnstoff som ikke forekommer naturlig her på jorden. Grunnen til dette er at atomkjernen er for tung – den inneholder for mange protoner – til at grunnstoffet er stabilt.

Atomer som bare er kunstig fremstilt kalles supertunge grunnstoff. Forskere kan observere Copernicium og andre supertunge grunnstoff, men bare under kontrollerte eksperimenter. Og da bare ett atom av gangen.

– Dette betyr ikke at Copernicium ikke kan eksistere i det hele tatt, men at forholdene her på jorden ikke tillater det. Grunnstoffet kan kanskje eksistere andre steder i universet hvor vi har vanskeligheter for å finne det, som for eksempel inne i en stjerne, forklarer Steenbergen.

• Les også: Forskere finner nye tegn på tidlig liv på jorden

Skaper atomer i enorme smell

For å lage Copernicium ble et radioaktivt kalsium-atom akselerert i en syklotron for å oppnå en ekstremt høy fart før det ble krasjet inn i et plutonium-atom.

– Når kalsium-atomet treffer plutoniumet, blir de slått sammen til ett atom, samtidig som det frigjør energi, forteller Pahl.

– Grunnstoffet det har blitt til heter Flerovium, som har atomnummer 114. Flerovium er et annet supertungt grunnstoff som etter et halvt sekund slipper ut to protoner og to nøytroner – en alfa-partikkel – fra atomkjernen sin og blir til Copernicium, forteller Pahl.

Disse eksperimentene ble gjennomført av et team med eksperimentelle fysikere ved Joint Institute of Nuclear Research i Dubna i Russland.

– Men det skal nevnes at de ikke alltid får til å skape Copernicium. Det er veldig mye som skal gå rett når man slenger to atomer inn i hverandre i håp om å skape det riktige grunnstoffet som igjen brytes ned på riktig måte for å bli Copernicium. Da trengs det litt flaks også, legger Steenbergen til.

Per i dag har Copernicium bare blitt skapt og målt seks ganger.

Å finne egenskapene til en samling atomer

Ettersom Copernicium er en meget ustabil isotop brytes det ned relativt fort. Forskerne har i underkant av fire sekunder på seg til å gjøre målingene sine før det blir til et annet grunnstoff.

– Atomet som forskerne håper er Copernicium, blir hastet av gårde fra kammeret hvor kollisjonen skjedde til et med gullbelagte detektorer langs en temperaturgradient, forteller Steenbergen.

– Den temperaturen som atomet lander på, gir oss en ide om hvor gunstig det er for atomet å binde seg med gull.

Når en samling atomer blir splittet til individuelle atomer, blir det frigjort energi. Dette kalles kohesiv energi.

Metaller som for eksempel jern er meget sterkt bundet og har dermed høy kohesiv energi, mens gasser, som radon, er svakere bundet og har derfor lavere kohesiv energi.

Forskjellige atomer binder seg altså til hverandre på ulike måter og skaper dermed ulike strukturer med forskjellig styrke. Disse bindingsmønstrene kalles krystallstrukturer, og mønstrene blir repeterert om og om igjen inne i den såkalte bulken, eller klumpen, av atomer.

– Som teoretikere kan vi lage modeller som viser hvor mye kohesiv energi en bulk ville ha om det hadde en annen krystallstruktur. Ettersom Coperniciums krystallstruktur er ukjent, kan vi bruke disse modellene for å finne ut hvilken struktur som gir mest energi. Den strukturen vil være den mest stabile bindingen og derfor mest sannsynlig at bulken med Copernicium vil ha, forteller Steenbergen.

• Les også: Enorm isbre på Pluto – men det er ikke vanlig is

Se også denne saken fra UiT -Norges arktiske universitet

Fant stoff som dreper kreftceller og lindrer smerte

Fra observasjon til simulering

Ettersom det bare er gjennomført seks eksperimenter som har ført til observasjon og måling av Copernicium, har ikke de eksperimentelle fysikerne kunnet komme frem til en nøyaktig kohesiv energi for atomet. I resultatene deres er det oppført en feilmargin på 25 prosent av den totale energimengden.

Eksperimentene som skal til for å skape nye atomer, koster mye å gjennomføre. Og siden det ikke er garantert at de klarer å skape et Cn-atom hver gang, ble Pahl og Steenbergens team spurt om de kunne validere funnene fra de seks observasjonene ved hjelp av datamodeller.

Pahl og Steenbergen brukte sofistikerte kvantekjemiske metoder til å modellere krystallstrukturen og den kohesive energien til en bulk med Copernicium.

– Vi brukte det som var av beregningskapasitet og minne på maskinene og måtte til slutt introdusere noen tilnærmelser for å kunne gjennomføre studien, men vi klarte å validere funnene til de eksperimentelle fysikerne, sier Steenbergen.

Deres resultater viser at den kohesive energien til en bulk Copernicium ville ligget på 0.376–0.410 elektronvolt – noe som er godt innenfor det fysikerne fant.

Forskerne fant også ut at bulken mest sannsynlig ville hatt en heksagonal tettpakningsstruktur. Det betyr at når atomene binder seg til hverandre skaper de et mønster av sekskanter (heksagoner). Atomene lager altså bindinger til seks andre atomer, og disse lagene med atombindinger pakkes tett sammen.

– Med disse funnene vet vi at Copernicium definitivt ville være flytende og kanskje til og med en gass, her på jorden om grunnstoffet hadde vært stabilt, forteller Pahl.

Forskningsartikkelen med resultatene til Pahl og Steenbergen ligger inne til fagfellevurdering og vil forhåpentlig bli publisert innen kort tid.

Bedre kunnskap om universet

Selv om vi aldri vil kunne dra nytte av Copernicium i seg selv her på jorden, har forskningen på grunnstoffet gitt oss nye kunnskaper å tilføye det periodiske system.

– Det er interessant for oss å se trender innen de ulike gruppene av grunnstoff, eller avvik fra trendene. Jo flere grunnstoff det er i gruppen, jo mer informasjon har vi om forholdet mellom egenskapene deres. For å tilføye flere grunnstoff til en gruppe må de først bli oppdaget. Ettersom supertunge grunnstoff ikke finnes naturlig her på jorden, kan vi bare studere dem gjennom eksperimenter og simuleringer, forklarer Pahl.

Både Pahl og Steenbergen har hatt forskningsopphold ved Senter for grunnforskning (CAS Oslo) denne høsten, hvor de har jobbet med prosjektet Molecules in Extreme Environments.

– Med våre simuleringer kan vi se på hva som skjer med ulike grunnstoff når vi endrer på forholdene. I CAS Oslo-prosjektet vårt ser jeg og Steenbergen på hvordan ekstremt trykk påvirker kjemi. Vi håper at våre resultater kan hjelpe astronomer å forstå universet på en bedre måte, forteller Pahl.

• Les også: Solstormer kan ha gitt oss liv