La tavola periodica degli elementi fu proposta nel 1869, e da allora in poi divenne uno dei capisaldi delle scienze naturali. Questa tabella è stata pensata per contenere tutti gli elementi che si trovano in natura in uno speciale layout che li raggruppa in righe e colonne secondo una delle loro caratteristiche più importanti, il numero di elettroni. Gli scienziati hanno usato per decenni la tavola periodica per prevedere le caratteristiche degli elementi allora sconosciuti, che sono stati aggiunti alla tabella nel tempo.

Potrebbe esistere una tale tavola periodica per le molecole? Sebbene alcuni ricercatori abbiano pensato a questa possibilità e proposto regole periodiche per prevedere l'esistenza di determinate molecole, queste previsioni erano valide solo per cluster di atomi con una simmetria quasi sferica, a causa dei limiti della loro stessa teoria. Però, ci sono molti gruppi di atomi con altre forme e altri tipi di simmetrie che dovrebbero essere spiegati con un modello migliore. Così, un team di ricerca della Tokyo Tech, compreso il dottor Takamasa Tsukamoto, Dott. Naoki Haruta, Prof. Kimihisa Yamamoto e colleghi, ha proposto un nuovo approccio per costruire una tavola periodica per molecole con più tipi di simmetrie.

Il loro approccio si basa su un'attenta osservazione del comportamento degli elettroni di valenza degli atomi che formano cluster molecolari. Gli elettroni di valenza possono essere considerati elettroni "liberi" in atomi con un orbitale più esterno, e quindi possono interagire con gli elettroni di altri atomi per formare composti. Quando più atomi formano un cluster con una forma simmetrica, i loro elettroni di valenza tendono ad occupare orbitali molecolari specifici chiamati "orbitali super-atomici, " in cui si comportano quasi esattamente come se fossero gli elettroni di un enorme atomo.

Considerando questo fatto e analizzando gli effetti delle simmetrie strutturali per i cluster (Fig. 1), i ricercatori hanno proposto "modelli orbitali adattati alla simmetria (SAO), " che sono in accordo con più molecole note e calcoli quantomeccanici all'avanguardia. Le nuove tavole periodiche, che verrebbe creato per ogni tipo di simmetria, sarebbe effettivamente quadridimensionale, come mostrato in Fig. 2, perché le molecole sarebbero disposte secondo quattro parametri:gruppi e periodi (in base ai loro elettroni di "valenza", simile alla normale tavola periodica), specie (in base agli elementi costitutivi), e famiglie (in base al numero di atomi).

L'approccio SAO è molto promettente nel campo della progettazione dei materiali. "Le moderne tecniche di sintesi ci consentono di produrre molti materiali innovativi basati sul modello SAO, come materiali magnetici leggeri, " afferma il prof. Yamamoto. La strada da percorrere per gli scienziati sta nell'ampliare ulteriormente queste tabelle a cluster molecolari con altre forme e simmetrie e prevedere molecole stabili che devono ancora essere sviluppate. "Tra le infinite combinazioni di elementi costitutivi, la tavola periodica proposta sarà un contributo significativo alla scoperta di nuovi materiali funzionali, " conclude il prof. Yamamoto.