Uuden tietokonesimulaation mukaan kopernikiumin, joka on yksi pitkäikäisimmistä superraskaista alkuaineista, pitäisi käyttäytyä enemmän jalokaasun tavoin kuin jalokaasujen ryhmään kuuluvan alkuaineen oganesson, joka on samassa ajassa.1 Havainto on uusi todiste siitä, että suhteellisuusteoria tekee Mendelejevin tyylisistä jaksollisuussäännöistä yhä epäluotettavamman ohjeen näiden valtavien alkuaineiden fysikaalisille ja kemiallisille ominaisuuksille.
Atomien elektronirakenneteoriassa ei yleensä oteta huomioon suhteellisuusteoriaa. Kuitenkin, kun atomiytimet muuttuvat raskaammiksi ja vetävät elektroneja lähemmäs toisiaan, elektronien nopeudet lähestyvät valonnopeutta ja relativistiset vaikutukset alkuaineiden ominaisuuksissa tulevat huomattaviksi. Esimerkiksi Pekka Pykkö – nykyisin Helsingin yliopistossa – osoitti 1960-luvulla, että kullan erottuva väri johtuu siitä, että sen 6s-yhdisteen orbitaalin energia pienenee relativistisen supistumisen seurauksena, jolloin 5d→6s-siirtymä siirtyy ultraviolettitaajuuksista sinisiin taajuuksiin. Kulta siis absorboi sinistä valoa ja heijastaa muita aallonpituuksia. Lisäksi Peter Schwerdtfeger ja kollegat Masseyn yliopistossa Uudessa-Seelannissa osoittivat vuonna 2017, miten suhteellisuusteoria laskee kullan jaksollisen järjestelmän naapurin, elohopean, sulamispistettä lähes 200ºC:lla vetämällä sidoselektronit lähemmäs ydintä ja heikentämällä metallisidoksen tehokkuutta. Tämä selittää, miksi elohopea – ainoana metallien joukossa – on huoneenlämmössä nestemäinen.
Relativististen vaikutusten pitäisi loogisesti olla voimakkaimpia raskaimmissa alkuaineissa. Valitettavasti tällaiset atomit ovat yleensä äärimmäisen epävakaita: raskaimman toistaiseksi vahvistetun isotoopin – oganesson-294:n – puoliintumisaika on alle millisekunti, joten suorat kemialliset kokeet ovat yleensä mahdottomia. Teoria on kuitenkin tehnyt outoja ennusteita: oganessonin sijoittuminen jaksollisessa järjestelmässä viittaa siihen, että sen pitäisi olla jalokaasu, mutta Schwerdtfegerin ryhmä ennusti hiljattain, että se on metallinen puolijohde.
Uudessa työssään he päättelevät, että kopernikiumin, joka sijoittuu jaksollisessa järjestelmässä suoraan elohopean alapuolelle, pitäisi olla erittäin haihtuva ”jaloneste”, jonka sulamispiste on noin 10 celsiusastetta ja kiehumispiste noin 67 celsiusastetta. Tämä vastaa Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä toimivan Kenneth Pitzerin vuonna 1975 tekemää ennustetta.3 Vuonna 2008 sveitsiläisen Paul Scherrer -instituutin Robert Eichler ja hänen kollegansa kuitenkin mittasivat kaasufaasin vuorovaikutuksen kopernikium-atomien ja kultapinnan välillä, mitä pidettiin todisteena metallipitoisuudesta.4 Schwedtfegerin työryhmä ehdottaa, että kopernikiumia olisi pidettävä d-lohkon alkuaineena, toisin kuin ryhmän 12 kevyempiä alkuaineita, jotka käyttäytyvät kuin maametallit. ”Kopernikiumin 6d-orbitaali on itse asiassa 7s-orbitaalin yläpuolella, joten sidoselektronit ovat d-luonteisia”, sanoo pääkirjoittaja Jan-Michael Mewes, joka työskentelee nykyään Bonnin yliopistossa Saksassa. Kopernikiumin isotoopit voivat säilyä jopa 29 sekuntia, mikä tarkoittaa, että tätä hypoteesia voidaan ehkä joskus testata.
Eichler on vaikuttunut. Hän ei näe ristiriitaa oman ryhmänsä kokeellisten tulosten ja Schwerdtfegerin ja kollegoiden teoreettisen mallinnuksen välillä. ”Jos tarkastellaan ennustettamme vuodelta 2008, saadaan periaatteessa sama ennuste kopernikiumin vuorovaikutusenergiasta itsensä kanssa”, Eichler sanoo. ’Toinen metalli, kuten kulta, voi työntää kopernikiumin vuorovaikutukseen metallisella tavalla.’ Myös Pykkö pitää mallia ’vakuuttavana’. Hän kuitenkin varoittaa, että se on ’jonkin verran kaukana kokeesta’, mutta sanoo, että ’on yksi parhaista asiantuntijoista vastaamaan näihin kysymyksiin’.