En matryoshka -dukke i bronze:Metallet i metallet i metallet

En dukke i en dukke, og så en mere, indhyller dem udefra - sådan forklarer Thomas Faessler sit molekyle. Han pakker et atom i et bur inden for en atomramme. Med deres store overflader kan disse strukturer tjene som yderst effektive katalysatorer. Ligesom i det russiske trælegetøj, et skrog med tolv kobberatomer omslutter et enkelt tinatom. Dette skrog er, på tur, omsluttet af 20 yderligere tinatomer. Professor Faesslers arbejdsgruppe ved Institut for uorganisk kemi ved Technische Universitaet Muenchen (Tyskland) var den første til at generere disse rumlige strukturer opbygget i tre lag som isolerede metalklynger i bronze legeringer.

Særligt fascinerende er de billeder, forskerne bruger til at forklare disse kemiske forbindelser og deres egenskaber. I laboratoriet er stoffet en ikke -imponerende, bøde, gråsort pulver, alligevel er strukturmodellerne i farve og i forskellige indlejrede former. Disse pulvere, med deres store overflader, er interessante som et midlertidigt trin for katalysatorer, der overfører hydrogen, for eksempel. Lignende strukturer lavet af silicium kunne bruges i solceller til mere effektivt at fange lys fra solen.

De fleste mennesker betragter metaller som ensartede materialer med en temmelig uspektakulær struktur. Metalforbindelserne fra Faesslers institut er tværtimod. Hans skrivebord er stablet højt med forskellige flerfarvede burmodeller med gule kugler, der repræsenterer kobberatomer og blå til tin. Analogien til kulstofkuglerne, der forårsagede en fornemmelse som Buckyballs, kan ikke overses. Her, også, der er geometriske strukturer, der består af trekanter, femkanter og sekskanter. Imidlertid, de er ikke lavet af kulstof:tungere metaller som tin og bly kan også danne sådanne isolerede burstrukturer.

"Vi er dybest set interesserede i legeringsstrukturer, der er ud over det sædvanlige, "siger Faessler. Bronze, for eksempel:denne blanding af kobber og tin, som blev opdaget tidligt og lånte sit navn til en hel alder af menneskeheden, har en krystallinsk struktur; atomerne i de to komponenter fordeles jævnt i hele krystallen og er tæt pakket sammen.

De nye bronzer fra Faessler -laboratoriet er forskellige. Ph.d. -kandidaten Saskia Stegmaier smeltede en særlig ren form for kobbertråd og tingranulat under særlige forhold - beskyttet mod luft og fugt i en argonatmosfære. Bronzen fremstillet på denne måde blev derefter forseglet i et alkalimetal, såsom kalium, i en ampul fremstillet af tantal. Tantalets smeltepunkt er 3, 000 grader Celsius, hvilket gør det særligt velegnet som et fartøj til at binde andre metaller i kontakt med hinanden.

Sådan er de nye metalklynger, indlejret inde i hinanden ligesom den russiske dukke, kom til. Når bronze opvarmes, sammen med kalium eller natrium, til 600 til 800 grader Celsius, alkalimetallerne virker som en saks, der skærer legeringsgitteret op og derefter kanter sig mellem stykkerne, derved stabilisere de isolerede atomklynger. På egen hånd, disse klynger kan ikke organisere sig i tætte, ensartet strukturerede lag til dannelse af krystaller. De består af femkanter med i alt 20 tinatomer - en konstellation, hvor gentagne mønstre ikke er mulige under normale forhold. Men at "snyde" lidt og bruge kaliumatomer som lim kan producere en tilsyneladende normal krystal. Sidste år modtog den israelske forsker Dan Shechtman Nobelprisen i kemi for opdagelsen af ​​et lignende fænomen-de såkaldte kvasi-krystaller med femdoblet symmetri.

"Vores klynger er små enheder. De er, så at sige, bunker af atomer, der ikke er forbundet til deres naboer. "Det gør dem ideelle til katalytiske anvendelser:" Fordi de er ensartede i størrelse, "forklarer Faessler, "de er meget bedre til at styre kemiske reaktioner end klassiske katalysatorer." Hydreringsreaktioner, hvor hydrogenatomer lægger til ved organiske molekylkæder med oxygenatomer, f.eks. ved syntese af kunstige smagsstoffer, er eksempler på sådanne processer. Typisk, dyre ædle metaller som rhodium bruges til dette. Imidlertid, nye polære legeringer med magnesium, kobolt og tin kan tjene det samme formål. "Det, vi har brug for til en effektiv reaktion, er en katalysator med et meget stort overfladeareal." Den klassiske metode til at opnå dette er at blande opløsninger af to metalsalte for at udfælde ekstremt små nanopartikler. "Dette resulterer i et helt spektrum af partikelstørrelser, "forklarer Faessler. Med metalklynger kan vi skræddersy katalysatoren til vores behov, som det var."

Imidlertid, Stegmaiers og Faesslers reaktionsbeholder indeholdt flere overraskelser. Bortset fra klyngerne, forskerne lagde mærke til et fiberlignende materiale-som tynde nåle-hvis ender kunne bøjes lidt. "Vi mistænkte, "siger Stegmaier, "dette kan vise sig at være spændende." I mellemtiden er udbyttet af fibrene blevet forbedret ved at bruge natrium som saks til at skære bronzen op. Denne gang var resultatet ikke sfærer, men flerlags stænger. I midten er en snor af tinatomer, omgivet af et lag kobberatomer, og omkring det endnu et rør af tinatomer. Ligesom de hule Matryoshka -molekyler minder om Buckyballs, de nye fibre med deres rør ligner carbon nanorør. Analogt, sådanne fibre kunne en dag bruges som molekylære tråde med forskellige elektriske egenskaber.