Immagina di poter guardare una piccola quantità di un elemento chimico non identificato - meno di 100 atomi di dimensione - e sapere che tipo di materiale diventerebbe l'elemento in grandi quantità prima di vedere effettivamente l'accumulo più grande.

Quel pensiero ha animato a lungo l'opera di Julius Jellinek, scienziato senior emerito nella divisione di scienze chimiche e ingegneria presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). La sua recente scoperta con il collaboratore di lunga data Koblar Jackson, professore presso il Dipartimento di Fisica della Central Michigan University, ha il potenziale per avere un impatto drammatico sulla disciplina della scienza su scala nanometrica.

Secondo Jellinek, la classificazione di elementi e materiali sfusi in diverse tipologie – metalli, semiconduttori e isolanti – è ben consolidato e compreso. Ma l'identificazione dei tipi di materiali su scala nanometrica non è così semplice. Infatti, anche se il termine "nanomateriali" è ampiamente utilizzato, la scienza dei materiali su scala nanometrica deve ancora essere completamente sviluppata.

"Elementi e composti in piccolissime quantità, o nanoquantità, si comportano in modo molto diverso dalle loro controparti alla rinfusa, " ha spiegato Jellinek. Ad esempio, piccoli gruppi atomici di elementi che sono metalli in grandi quantità assumono caratteristiche metalliche solo man mano che crescono di dimensioni.

Questo fenomeno è noto come transizione indotta dalla dimensione alla metallicità, e ha spinto Jellinek e Jackson a chiedere:è possibile prevedere quale tipo di materiale sarà un elemento non identificato in grandi quantità esclusivamente sulla base delle proprietà che esibisce in un intervallo limitato del regime di dimensioni da subnano a nano?

La risposta si è rivelata un enfatico, e un po' sorprendente, "sì."

Nella loro carta, "Universalità nell'evoluzione orientata alle dimensioni verso la polarizzabilità di massa dei metalli" pubblicata come Comunicazione nel 7 ottobre, 2018, problema di Nanoscala , Jellinek e Jackson hanno dimostrato che utilizzando la loro analisi della polarizzabilità a livello atomico precedentemente sviluppata, potevano prevedere se un elemento non identificato sarebbe un metallo o un non metallo in grandi quantità osservando le proprietà di polarizzabilità dei suoi piccoli ammassi. (La polarizzabilità descrive come i sistemi e i materiali rispondono a un campo elettrico esterno.)

Inoltre, se un elemento non identificato sarà un metallo alla rinfusa, utilizzando gli stessi dati di polarizzabilità di piccole dimensioni si può stabilire la sua esatta identità chimica.

Un'altra sorprendente scoperta riportata nel documento è che i gruppi di tutti gli elementi metallici evolvono allo stato metallico sfuso in modo universale, come misurato da una caratteristica basata sulla polarizzabilità che Jellinek e Jackson chiamano il "grado di metallicità". Jellinek ha detto:"Abbiamo introdotto una nuova costante universale e nuove equazioni di scala universali nella fisica dei metalli".

Le nuove equazioni di ridimensionamento rendono facile e diretto per gli scienziati determinare la polarizzabilità di cluster di qualsiasi dimensione di qualsiasi elemento metallico in base alla corrispondente polarizzabilità di massa dell'elemento. Nel passato, ciò avrebbe richiesto lunghi – e costosi – calcoli per ogni singolo caso. "Ci sarebbero voluti giorni, settimane o addirittura mesi per coprire una gamma di dimensioni ora richiede una frazione di secondo utilizzando queste equazioni universali, " ha detto Jelinek.

Forse più significativamente, lo studio rappresenta un passo importante nella costruzione delle basi della scienza dei materiali su scala nanometrica; fornisce un contributo fondamentale alla comprensione dell'evoluzione dimensionale verso lo stato metallico bulk. (Jellinek ha affermato che lo studio include una disposizione per possibili eccezioni - quelli che chiama "metalli esotici" - se dovessero essere trovati in futuro.)

Per Jellinek personalmente, dopo più di 31 anni ad Argonne e avendo recentemente assunto una posizione emerita, la scoperta è stata particolarmente soddisfacente – e sorprendente, perché originariamente lui e Jackson si aspettavano di trovare qualcos'altro.

"All'inizio speravamo di stabilire una comunanza su scala più piccola all'interno di diversi gruppi di elementi metallici, e siamo rimasti delusi che i risultati non soddisfacessero tale aspettativa, " ha detto. "Ma poi abbiamo visto che i diversi gruppi si stavano comportando in modo universale. Nella scienza, quando qualcosa emerge in modo diverso da quello che ti aspetti, spesso si rivela nuovo e interessante. Però, è molto raro scoprire qualcosa di universale."

Jellinek ha definito il risultato una delle cose più belle che ha fatto nella sua lunga e illustre carriera, aggiungendo:"Ecco perché è divertente essere uno scienziato. Quando ottieni qualcosa di fondamentale e veramente nuovo, è una ricompensa che nient'altro può sostituire. Il prossimo compito è cercare di scoprire possibili punti in comune, forse anche universalità, nell'evoluzione dimensionale allo stato bulk per elementi che non sono metalli."