Химики из Brown University опрокинули школьные учебники по химии. В статье, опубликованной в журнале Science, они показали, что теория относительности Эйнштейна меняет структуру тройных связей у тяжёлых элементов. Учёные использовали метод фотоэлектронной спектроскопии (photoelectron spectroscopy) и нашли прямое спектроскопическое доказательство того, что тройные связи между углеродом и тяжёлым висмутом работают не так, как учили.
В классической модели тройная связь состоит из одной прочной сигма-связи (лобовое перекрывание орбиталей вдоль оси) и двух более слабых пи-связей (боковое перекрывание). Эта картинка верна для лёгких элементов. Но у тяжёлых атомов, расположенных внизу таблицы Менделеева, электроны разгоняются до скоростей, сопоставимых со скоростью света. В игру вступает релятивизм: спин электрона и его орбитальное движение перестают быть независимыми — возникает спин-орбитальное взаимодействие (spin-orbit coupling). Оно стирает чёткую границу между сигма- и пи-связями.
Команда под руководством профессора Лай-Шена Вана (Lai-Sheng Wang) и аспирантов Brown Дениза Кахрамана (Deniz Kahraman) и Цзе Хуэя (Jie Hui) сделала молекулы из висмута (сосед свинца по таблице) и углерода. Молекулы охладили почти до абсолютного нуля и «сфотографировали» лазером. Выбитые электроны разлетелись на разные расстояния — по ним учёные определили энергию связи. Спектр показал: традиционного набора «одна сигма + две пи» нет. Вместо этого у связи одна пи-связь и две гибридные сигма-пи-связи.
«То, что мы учили в школе о химических связях, неправда для тяжёлых элементов», — говорит Ван. Он считает, что результаты могут заставить переписать учебники по химии. Висмут сейчас особенно интересен: он может заменить токсичный свинец в солнечных батареях нового поколения, а также используется в исследованиях по квантовым материалам и квантовым вычислениям.
Исследование финансировали National Science Foundation (грант CHE-2403841) и Министерство энергетики США (DE-SC0008501).