Een pop in een pop, en dan nog een ze van buitenaf omhullen – zo verklaart Thomas Faessler zijn molecuul. Hij verpakt één atoom in een kooi binnen een atoomkader. Met hun grote oppervlakken kunnen deze structuren dienen als zeer efficiënte katalysatoren. Net als in het Russische houten speelgoed, een romp van twaalf koperatomen omhult een enkel tinatoom. Deze romp is, beurtelings, omhuld door nog 20 tinatomen. De werkgroep van professor Faessler aan het Instituut voor Anorganische Chemie van de Technische Universitaet Muenchen (Duitsland) was de eerste die deze ruimtelijke structuren genereerde die in drie lagen waren opgebouwd als geïsoleerde metaalclusters in bronslegeringen.

Bijzonder fascinerend zijn de beelden die de onderzoekers gebruiken om deze chemische verbindingen en hun eigenschappen te verklaren. In het laboratorium is de stof niet indrukwekkend, prima, grijsachtig zwart poeder, toch zijn de structuurmodellen in kleur en in verschillende geneste vormen. Deze poeders, met hun grote oppervlakten, zijn interessant als tussenstap voor katalysatoren die waterstof overdragen, bijvoorbeeld. Soortgelijke structuren van silicium zouden in zonnecellen kunnen worden gebruikt om het licht van de zon effectiever op te vangen.

De meeste mensen beschouwen metalen als uniforme materialen met een nogal onopvallende structuur. De metaalverbindingen van het instituut van Faessler zijn precies het tegenovergestelde. Zijn bureau is hoog opgestapeld met verschillende veelkleurige kooimodellen met gele bollen die koperatomen voorstellen en blauwe voor tin. De analogie met de koolstofbollen die een sensatie veroorzaakten als Buckyballs kan niet over het hoofd worden gezien. Hier, te, er zijn geometrische structuren opgebouwd uit driehoeken, vijfhoeken en zeshoeken. Echter, ze zijn niet gemaakt van koolstof:ook zwaardere metalen zoals tin en lood kunnen dergelijke geïsoleerde kooistructuren vormen.

"We zijn voornamelijk geïnteresseerd in legeringsstructuren die buitengewoon zijn, " zegt Faessler. Brons, bijvoorbeeld:dit mengsel van koper en tin, die al vroeg werd ontdekt en zijn naam leende aan een heel tijdperk van de mensheid, heeft een kristallijne structuur; de atomen van de twee componenten zijn gelijkmatig over het hele kristal verdeeld en dicht op elkaar gepakt.

De nieuwe bronzen beelden uit het Faessler laboratorium zijn anders. Promovenda Saskia Stegmaier smolt een bijzonder zuivere vorm van koperdraad en tingranulaat onder speciale omstandigheden – beschermd tegen lucht en vocht in een argonatmosfeer. Het op deze manier geproduceerde brons werd vervolgens verzegeld in een alkalimetaal zoals kalium in een ampul gemaakt van tantaal. Het smeltpunt van tantaal is 3, 000 graden Celsius, waardoor het bijzonder geschikt is als een vat om andere metalen met elkaar in contact te brengen.

Dit is hoe de nieuwe metaalclusters, in elkaar genesteld net als de Russische pop, ontstond. Als brons wordt verwarmd, samen met kalium of natrium, tot 600 tot 800 graden Celsius, de alkalimetalen werken als een schaar die het legeringsrooster doorsnijdt en zich vervolgens een weg baant tussen de stukken, waardoor de geïsoleerde atomaire clusters worden gestabiliseerd. Zelfstandig, deze clusters kunnen zichzelf niet organiseren in dichte, uniform gestructureerde lagen om kristallen te vormen. Ze bestaan ​​uit vijfhoeken met in totaal 20 tinatomen – een sterrenbeeld waarin zich onder normale omstandigheden geen herhalende patronen kunnen voordoen. Maar een beetje "vals spelen" en kaliumatomen als lijm gebruiken, kan een schijnbaar normaal kristal produceren. Vorig jaar ontving de Israëlische wetenschapper Dan Shechtman de Nobelprijs voor scheikunde voor de ontdekking van een soortgelijk fenomeen:de zogenaamde quasi-kristallen met vijfvoudige symmetrie.

"Onze clusters zijn kleine eenheden. Ze zijn, bij wijze van spreken, stapels atomen die niet verbonden zijn met hun buren." Dat maakt ze ideaal voor katalytische toepassingen:"Omdat ze consistent zijn in grootte, " legt Faessler uit, "ze zijn veel beter in het sturen van chemische reacties dan klassieke katalysatoren." Hydratatiereacties waarbij waterstofatomen aanmeren met organische molecuulketens met zuurstofatomen, bijv. in de synthese van kunstmatige smaakstoffen, zijn voorbeelden van dergelijke processen. Typisch, Hiervoor worden dure edelmetalen zoals rhodium gebruikt. Echter, nieuwe polaire legeringen met magnesium, kobalt en tin kunnen hetzelfde doel dienen. "Wat we nodig hebben voor een efficiënte reactie is een katalysator met een zeer groot oppervlak." De klassieke methode om dit te bereiken is om oplossingen van twee metaalzouten te mengen om extreem kleine nanodeeltjes te laten neerslaan. "Dit resulteert in een heel spectrum van deeltjesgroottes, " legt Faessler uit. Met metaalclusters kunnen we de katalysator afstemmen op onze behoeften, als het ware."

Echter, Het reactievat van Stegmaier en Faessler bevatte nog meer verrassingen. Afgezien van de clusters, de wetenschappers zagen een vezelachtig materiaal - zoals dunne naalden - waarvan de uiteinden een beetje konden worden gebogen. "We vermoedden, " zegt Stegmaier, "dit zou wel eens spannend kunnen worden." Inmiddels is de opbrengst van de vezels verbeterd door natrium als schaar te gebruiken om het brons te knippen. Dit keer was het resultaat geen bollen, maar meerlagige staven. In het midden is een reeks tinatomen, omgeven door een laag koperatomen, en daar omheen nog een buis van tinatomen. Net zoals de holle Matryoshka-moleculen doen denken aan Buckyballs, de nieuwe vezels met hun buizen zijn verwant aan koolstofnanobuisjes. analoog, dergelijke vezels zouden ooit kunnen worden gebruikt als moleculaire draden met verschillende elektrische eigenschappen.