Le tableau périodique des éléments a été proposé en 1869, et devint par la suite l'une des pierres angulaires des sciences naturelles. Ce tableau a été conçu pour contenir tous les éléments trouvés dans la nature dans une disposition spéciale qui les regroupe en lignes et en colonnes selon l'une de leurs caractéristiques les plus importantes, le nombre d'électrons. Les scientifiques ont utilisé le tableau périodique pendant des décennies pour prédire les caractéristiques des éléments alors inconnus, qui ont été ajoutés au tableau au fil du temps.

Pourrait-il exister un tel tableau périodique des molécules ? Bien que certains chercheurs aient réfléchi à cette possibilité et proposé des règles périodiques pour prédire l'existence de certaines molécules, ces prédictions n'étaient valables que pour des amas d'atomes à symétrie quasi-sphérique, en raison des limites de leur propre théorie. Cependant, il existe de nombreux amas d'atomes avec d'autres formes et d'autres types de symétries qui devraient être pris en compte avec un meilleur modèle. Ainsi, une équipe de recherche de Tokyo Tech, dont le Dr Takamasa Tsukamoto, Dr Naoki Haruta, Pr Kimihisa Yamamoto et ses collègues, a proposé une nouvelle approche pour construire un tableau périodique des molécules avec plusieurs types de symétries.

Leur approche est basée sur une observation fine du comportement des électrons de valence des atomes qui forment des amas moléculaires. Les électrons de valence peuvent être considérés comme des électrons "libres" dans les atomes avec une orbitale la plus externe, et ainsi ils peuvent interagir avec les électrons d'autres atomes pour former des composés. Lorsque plusieurs atomes forment un amas de forme symétrique, leurs électrons de valence ont tendance à occuper des orbitales moléculaires spécifiques appelées " orbitales super-atomiques, " dans lequel ils se comportent presque exactement comme s'ils étaient les électrons d'un énorme atome.

En considérant ce fait et en analysant les effets des symétries structurelles pour les clusters (Fig. 1), les chercheurs ont proposé des "modèles orbitaux adaptés à la symétrie (SAO), " qui sont en accord avec de multiples molécules connues ainsi qu'avec des calculs de mécanique quantique de pointe. Les nouveaux tableaux périodiques, qui serait créé pour chaque type de symétrie, serait en fait à quatre dimensions, comme le montre la figure 2, car les molécules seraient disposées selon quatre paramètres :des groupes et des périodes (en fonction de leurs électrons de « valence », similaire au tableau périodique normal), espèces (sur la base des éléments constitutifs), et les familles (basées sur le nombre d'atomes).

L'approche SAO est très prometteuse dans le domaine de la conception des matériaux. « Les techniques de synthèse modernes nous permettent de produire de nombreux matériaux innovants basés sur le modèle SAO, tels que les matériaux magnétiques légers, " déclare le professeur Yamamoto. La route à parcourir pour les scientifiques consiste à étendre davantage ces tableaux à des amas moléculaires avec d'autres formes et symétries et à prédire des molécules stables qui n'ont pas encore été développées. " Parmi les combinaisons infinies d'éléments constitutifs, le tableau périodique proposé sera une contribution significative à la découverte de nouveaux matériaux fonctionnels, " conclut le Pr Yamamoto.