Heterometallisk kobber-aluminium superatom opdaget

På ydersiden, en klynge af 55 kobber- og aluminiumatomer ligner en krystal, men kemisk, det har et atoms egenskaber. Det heterometalliske superatom, som kemikere fra Münchens Tekniske Universitet (TUM) nu har skabt, giver forudsætninger for at udvikle nye, mere omkostningseffektive katalysatorer.

Kemi kan være dyrt. For eksempel, platin bruges til at rense udstødningsgasser. Dette ædle metal fungerer som en katalysator, der fremskynder kemiske reaktioner. Uden katalysatorer, det ville ikke være muligt at gennemføre et stort antal processer i den kemiske industri.

"Mange grupper af forskere eksperimenterer med nye materialeforbindelser lavet af billigere uædle metaller som jern, kobber eller aluminium. Imidlertid, indtil nu, ingen har været i stand til at forudsige, om hvordan, og hvorfor disse katalysatorer reagerer, " forklarer Roland Fischer, professor i uorganisk og metal-organisk kemi ved TUM. "Vores mål var at bygge bro over dette hul og skabe grundlaget for at forstå en ny generation af katalysatorer."

Bottom-up tilgang giver resultater

Sammen med sit team, kemikeren har nu afsløret en hemmelighed bag uædle metalforbindelser. "Det nye ved vores tilgang var, at vi ikke undersøgte eksisterende materialer, men i stedet gik bottom-up og byggede forbindelser lavet af individuelle kobber- og aluminiumatomer, " forklarer Fischer.

At kombinere to metaller på atomniveau kræver ikke ringe mængde knowhow og finesse:Indenfor en beskyttende argonatmosfære, kemikerne kombinerede metalatomerne, der var bundet til organiske forbindelser, i et reagensglas, hvortil de tilsatte et opløsningsmiddel.

"Naturligt, vi håbede, at kobber- og aluminiumatomerne ville adskilles fra de organiske forbindelser og danne en klynge sammen. Men om de rent faktisk ville gøre det, og hvad resultatet ville blive, var fuldstændig uklart, siger Fischer.

Kemikerne var yderst henrykte over at konstatere, at der var dannet rødsorte partikler med en diameter på op til en millimeter i bunden af ​​reagensglasset. Røntgenbilleder afslørede en ekstremt kompleks struktur. I hvert tilfælde, 55 kobber- og aluminiumatomer var arrangeret sådan, at de dannede en krystal, hvis overflade bestod af 20 ligesidede trekanter.

Krystallografer kalder sådanne former icosaeder Yderligere eksperimenter viste, at kemisk, krystallerne reagerer som et individuelt kobberatom og er også paramagnetiske, hvilket betyder, at de tiltrækkes af et magnetfelt.

En forklaring på metalklyngernes ekstraordinære egenskaber blev givet af prof. Jean-Yves Saillard fra det franske universitet i Rennes:Ifølge ham, 43 og 12 aluminiumatomer organiserer sig i et "superatom", hvor metallerne danner en delt elektronskal, der ligner et enkelt metalatoms.

Derfor, klyngen har et atoms kemiske egenskaber. Placeret på den yderste skal er tre valenselektroner, hvis spin retter sig ind i et magnetfelt - deraf den observerede paramagnetisme.

Vidensgrundlag for nye katalysatorer

Det heterometalliske superatom af forskerne i München er det største, der nogensinde er lavet i laboratoriet. "At det opstod spontant, dvs. uden tilførsel af energi, ud af en løsning er et yderst bemærkelsesværdigt resultat, " understreger Fischer. "Det viser, at arrangementet af 55 atomer udgør en ø af stabilitet og dermed bestemmer retningen, i hvilken den kemiske reaktion finder sted."

Forskerne agter nu at bruge resultaterne af forskningsprojektet til at udvikle finkornede og dermed yderst effektive katalysatormaterialer. "Vi er stadig langt væk fra at kunne bruge det i applikationer, " understreger Fischer. "Men baseret på det, vi nu har opnået, vi kan verificere egnetheden af ​​kobber-aluminium-klynger til katalytiske processer og også skabe klynger lavet af andre lovende metaller."