Copernicium – ett av de mest långlivade supertunga grundämnena – bör enligt nya datorsimuleringar bete sig mer som en ädelgas än grundämnet oganesson, ett grundämne som ingår i gruppen ädla gaser under samma period.1 Fyndet ger ytterligare bevis för att relativiteten gör Mendelejevs periodicitetsregler till en allt mer opålitlig vägledning för dessa enorma grundämnenas fysikaliska och kemiska egenskaper.
Atoms elektronstrukturteori tar i allmänhet ingen hänsyn till relativiteten. När atomkärnorna blir tyngre och elektronerna dras närmare varandra, närmar sig elektronernas hastighet ljusets hastighet och de relativistiska effekterna blir märkbara i grundämnenas egenskaper. På 1960-talet visade till exempel Pekka Pykkö – numera vid Helsingfors universitet i Finland – att guldets distinkta färg beror på att energin i dess 6s-borg minskar genom relativistisk sammandragning, vilket leder till att 5d→6s-övergången förskjuts ner från ultravioletta frekvenser till blå frekvenser. Guld absorberar därför blått ljus och reflekterar andra våglängder. År 2017 visade dessutom Peter Schwerdtfeger och kollegor vid Massey University i Nya Zeeland hur relativiteten sänker smältpunkten för guldets granne i det periodiska systemet, kvicksilver, med nästan 200 ºC, genom att dra bindningselektroner närmare kärnan och göra metalliska bindningar mindre effektiva. Detta förklarar varför kvicksilver – unikt bland metallerna – är flytande vid rumstemperatur.
Relativistiska effekter borde logiskt sett vara mest uttalade i de tyngsta grundämnena. Tyvärr är sådana atomer vanligtvis extremt instabila: halveringstiden för den tyngsta isotop som ännu inte bekräftats – oganesson-294 – är under en millisekund, så direkta kemiska experiment är vanligtvis omöjliga. Teorin har dock gjort bisarra förutsägelser: oganessons placering i det periodiska systemet tyder på att den borde vara en ädelgas, men Schwerdtfegers grupp förutspådde nyligen att den är en metallisk halvledare.
I sitt nya arbete drar de däremot slutsatsen att kopernicium, som ligger direkt under kvicksilver i det periodiska systemet, borde vara en mycket lättflyktig ”ädelvätska” med en smältpunkt på cirka 10ºC och en kokpunkt på cirka 67ºC. Detta stämmer överens med en förutsägelse från 1975 från Kenneth Pitzer vid University of California, Berkeley.3 2008 uppmätte dock Robert Eichler vid Paul Scherrer-institutet i Schweiz och hans kollegor en växelverkan i gasfas mellan coperniciumatomer och en guldyta, vilket sågs som ett bevis på metallisk aktivitet.4 Schwedtfegers forskargrupp föreslår att – till skillnad från de lättare grundämnena i grupp 12, som uppför sig som alkaliska jordartsmetaller – bör copernicium betraktas som ett grundämne i d-blocket. 6d-orbitalet ligger faktiskt över 7s-orbitalet i copernicium, så bindningselektronerna är av d-karaktär, säger huvudförfattaren Jan-Michael Mewes, som nu arbetar vid universitetet i Bonn i Tyskland. Isotoper av copernicium kan hålla i upp till 29 sekunder, vilket innebär att det kan bli möjligt att testa denna hypotes en dag.
Eichler är imponerad. Han ser ingen motsättning mellan hans egen grupps experimentella resultat och den teoretiska modelleringen från Schwerdtfeger och kollegor. Om man tittar på vår förutsägelse från 2008 får man i stort sett samma förutsägelse för coperniciums interaktionsenergi med sig själv, säger Eichler. ”En annan metall som guld kan tvinga copernicium att interagera på ett metalliskt sätt”. Även Pykkö tycker att modellen är ”övertygande”. Han varnar dock för att den är ”något avlägsen från experiment”, men säger att ” är en av de bästa experterna för att besvara dessa frågor”.