Aan de buitenkant, een cluster van 55 koper- en aluminiumatomen lijkt op een kristal, maar chemisch, het heeft de eigenschappen van een atoom. Het heterometallische superatoom, die chemici van de Technische Universiteit van München (TUM) nu hebben gemaakt, biedt de voorwaarden voor het ontwikkelen van nieuwe, meer kosteneffectieve katalysatoren.

Chemie kan duur zijn. Bijvoorbeeld, platina wordt gebruikt om uitlaatgassen te reinigen. Dit edelmetaal werkt als een katalysator die chemische reacties versnelt. Zonder katalysatoren, het zou niet mogelijk zijn om een ​​groot aantal processen in de chemische industrie uit te voeren.

"Veel groepen onderzoekers experimenteren met nieuwe materiaalverbindingen gemaakt van goedkopere basismetalen zoals ijzer, koper of aluminium. Echter, tot dusver, niemand heeft kunnen voorspellen of hoe, en waarom deze katalysatoren reageren, " legt Roland Fischer uit, hoogleraar anorganische en metaal-organische chemie aan de TUM. "Ons doel was om deze kloof te overbruggen en de basis te leggen voor het begrijpen van een nieuwe generatie katalysatoren."

Bottom-up benadering levert resultaat op

Samen met zijn team, de chemicus heeft nu een geheim van onedele metaalverbindingen ontdekt. "Het nieuwe aan onze aanpak was dat we geen bestaande materialen hebben onderzocht, maar gingen in plaats daarvan bottom-up en bouwden verbindingen gemaakt van individuele koper- en aluminiumatomen, ", legt Fischer uit.

Het combineren van twee metalen op atomair niveau vereist niet weinig knowhow en finesse:binnen een beschermende argonatmosfeer, de chemici combineerden de metaalatomen die aan organische verbindingen waren gebonden in een reageerbuis, waaraan ze een oplosmiddel hebben toegevoegd.

"Van nature, we hoopten dat de koper- en aluminiumatomen zich zouden scheiden van de organische verbindingen en samen een cluster zouden vormen. Maar of ze dat ook echt zouden doen en wat het resultaat zou zijn, was volstrekt onduidelijk, ", zegt Visser.

De chemici waren zeer verheugd toen ze ontdekten dat zich op de bodem van de reageerbuis roodzwarte deeltjes met een diameter tot een millimeter hadden gevormd. Röntgenfoto's onthulden een uiterst complexe structuur. In ieder geval, 55 koper- en aluminiumatomen waren zo gerangschikt dat ze een kristal vormden waarvan het oppervlak uit 20 gelijkzijdige driehoeken bestond.

Kristallografen noemen zulke vormen icosaëders. Aanvullende experimenten toonden aan dat chemisch, de kristallen reageren als een individueel koperatoom en zijn ook paramagnetisch, wat betekent dat ze worden aangetrokken door een magnetisch veld.

Een verklaring voor de buitengewone eigenschappen van de metaalclusters werd gegeven door Prof. Jean-Yves Saillard van de Franse universiteit in Rennes:Volgens hem, 43 en 12 aluminiumatomen organiseren zichzelf in een "superatoom" waarin de metalen een gedeelde elektronenschil vormen die lijkt op die van een enkel metaalatoom.

Vandaar, het cluster heeft de chemische eigenschappen van een atoom. Op de buitenste schil bevinden zich drie valentie-elektronen waarvan de spins zichzelf uitlijnen in een magnetisch veld - vandaar het waargenomen paramagnetisme.

Kennisbank voor nieuwe katalysatoren

Het heterometalen superatoom van de onderzoekers in München is het grootste dat ooit in het laboratorium is gemaakt. "Dat het zich spontaan heeft gevormd, d.w.z. zonder de invoer van energie, uit een oplossing is een buitengewoon opmerkelijk resultaat, " benadrukt Fischer. "Het laat zien dat de rangschikking van 55 atomen een eiland van stabiliteit vormt en dus de richting bepaalt waarin de chemische reactie plaatsvindt."

De onderzoekers willen nu de bevindingen van het onderzoeksproject gebruiken om fijnkorrelige en dus zeer effectieve katalysatormaterialen te ontwikkelen. "We zijn nog ver verwijderd van het kunnen gebruiken in applicaties, " benadrukt Fischer. "Maar op basis van wat we nu hebben bereikt, we kunnen de geschiktheid van koper-aluminiumclusters voor katalytische processen verifiëren en ook clusters maken van andere veelbelovende metalen."