Превращение свинца в золото — это до сих пор фантастика, однако некоторые подобные преобразования не только возможны, но и экономически оправданы. Исследователи из Университета Пенсильвании продемонстрировали, что определенная комбинация элементарных атомов может имитировать электронное строение другого элемента. По мнению Уэлфорда Каслмана-мл. (Welford Castleman Jr.), результаты исследования могут привести к появлению более дешевых материалов для широкого круга задач, таких как новые источники энергии и методы очистки окружающей среды, а также для катализаторов.

Каслман вместе с коллегами использовали метод фотоэлектронной спектроскопии для выявления сходства между монооксидом титана и никелем, монооксидом циркония и палладием, а также карбидом вольфрама и платиной. Фотоэлектронная спектроскопия позволяет измерять энергию, необходимую для отрыва электрона при различных энергетических состояниях атомов или молекул, и одновременно получать снимки этих событий при помощи цифровой камеры. Этот позволяет определить энергию связи электронов и наблюдать за природой орбиталей, на которых находятся электроны до их отрыва. В результате удалось обнаружить, что количество энергии, требуемое для удаления электрона из монооксида титана, соответствует количеству энергии отрыва частицы от атома никеля. Это справедливо для монооксида циркония и палладия, а также карбида вольфрама и платины. Ключевой особенностью является то, что все эти пары состоят из изоэлектронных частиц, атомов с такой же электронной конфигурацией. В этом случае понятие изоэлектроник относится к числу электронов, представленному на внешнем энергетическом уровне атома или молекулы.

Светлые пятна на изображении отражают количество энергии, выделяемое при отрыве электронов от атома. Характер этих пятен выявляет схожести в каждой из трех рассматриваемых пар. Молекулы монооксида титана, монооксида циркония и карбид вольфрама схожи со сверхатомами никеля, палладия и платины, соответственно. Сверхатомами называют объединение атомов, которое демонстрирует некоторые свойства элементарных атомов. Один из предыдущих экспериментов показал, что группа из 13 атомов алюминия ведет себя как атом йода. Добавление одного электрона к этой системе придает ей свойства инертного газа. А увеличение числа атомов алюминия до 14 превращает структуру в щелочноземельный элемент.

Идея сверхатома на этот раз вышла на новый уровень и получила количественное основание для своей концепции. Теперь появилась возможность предсказать комбинации каких атомов будут напоминать элементарные атомы. Глядя на периодическую таблицу, можно сказать, что монооксид титана будет похож по свойствам на сверхатом никеля. Этот метод очень прост: начиная с титана, который имеет четыре внешних электрона, двигаемся на 6 элементов вправо, поскольку у одноатомного кислорода 6 внешних электронов. Так мы попадаем на никель, у которого на внешней орбитали находится 10 электронов.

Хотя ученые пока не выяснили досконально применимость этого правила, действует ли оно для всех элементов или только для определенных групп элементов, это довольно любопытное совпадение. Ближайшая их цель — исследование переходных элементов. Например, платина используется практически во всех каталитических преобразователях, однако этот металл очень дорог. В противоположность этому карбид вольфрама относительно дешев. Значительное количество средств может быть сэкономлено, если заменить платину карбидом вольфрама. Равно как и палладий может быть заменен на монооксид циркония.