При объединении нескольких атомов с близкими электронным свойствами устойчивые соединения возникают редко, и подбор таких нанокластеров проводили в основном эмпирически. Ученые, однако, уже давно заметили, что есть определенные соотношения числа и расположения атомов в кластерах, при котором они становятся стабильными.

Американские физики из университета Содружества в штате Вирджиния и их коллеги из университета им. Джона Хопкинса сформулировали правила, позволящие предсказать существование "магических кластеров", отличающихся особой стабильностью.

В частности, эти правила были сформулированы для кластеров, куда входят атомы алюминия и водорода. Более того, ученые предсказывают, что эти магические кластеры можно упаковать вместе и получить новый материал, способный хранить водород при комнатной температуре и давлении.

Кластеры - это уже не молекулы, но еще не твердое тело. Подобно молекулам, у кластеров есть дискретные энергетические уровни. Кластеры достигают стабильности тогда, когда эти уровни заполняются электронами. Атомы водорода играют в кластерах особую роль - они могут либо отдавать свой единственный электрон, либо принимать электрон для формирования связи между атомами.

В алюминиевых кластерах электрон из атома водорода может быть своеобразным мостом между двумя атомами алюминия, а может быть и "шапкой", накрывающей три атома алюминия (при этом он сильно делокализован). Могут быть и другие варианты использования этого электрона - если атомов алюминия уже слишком много, этот "водородный" электрон может оттягивать на себя избыточную электронную плотность в кластере.

В итоге американские физики предсказали два магических кластера - в одном на семь атомов алюминия приходится один атом водорода, со связью радиального типа, в другом те же семь атомов алюминия связаны с тремя атомами водорода, причем два имеют связи радиального типа, а последний играет роль мостика между атомами. Свои расчеты физики проверили по данным фотоэлектронной спектроскопии кластеров и получили хорошее совпадения рассчитанных и экспериментальных уровней энергии и типа связи в кластере.

Теперь предстоит экспериментально проверить и другое предсказание - о возможности использовать материалы на основе магических кластеров для создания аккумуляторов водорода. Подобная возможность основана на том, что водород в кластерах с алюминием связан сравнительно слабо и может легко отделяться при комнатной температуре и давлении, сообщает Physics Web.