Хімія може бути дуже дорогою. Наприклад, платина використовується для очищення вихлопних газів. Цей дорогоцінний метал діє як каталізатор, що прискорює хімічні реакції. Без каталізаторів неможливо було б здійснювати велику кількість процесів у хімічній промисловості.
"Багато груп дослідників експериментують з новими складами матеріалів, виготовленими з недорогих базових металів, таких як залізо, мідь або алюміній. Однак досі ніхто не міг передбачити, як і чому реагують ці каталізатори ", - каже професор неорганічної та металорганічної хімії TUM Роланд Фішер. «Нашою метою було подолати цей розрив і створити основу для розуміння каталізаторів нового покоління».
Разом зі своєю командою Роланд Фішер розкрив секрет сполук неблагородних металів. «Що було новим у нашому підході, так це те, що ми не вивчали існуючі матеріали, а замість цього йшли знизу вгору і будували з'єднання з окремих атомів міді та алюмінію», - пояснює Фішер.
Об'єднання двох металів на атомарному рівні вимагає чимало винахідливості: у захисній атмосфері аргону хіміки з'єднували атоми металів, які зв'язувалися з органічними сполуками в пробірці, до якої додавали розчинник.
"Природно, ми сподівалися, що атоми міді та алюмінію відокремляться від органічних сполук і утворюють кластер. Але чи дійсно вони це зроблять і яким буде результат, було абсолютно неясно ", - говорить Фішер.
Хіміки були надзвичайно раді виявити, що на дні пробірки утворилися червонувато-чорні частинки діаметром до одного міліметра. Рентгенівські знімки виявили надзвичайно складну структуру. У кожному випадку 55 атомів міді та алюмінію розташовувалися так, що утворювали кристал, поверхня якого складалася з 20 рівносторонніх трикутників - ікосаедр.
Додаткові експерименти показали, що хімічно кристали реагують як окремий атом міді, крім того вони є парамагнітними, а значить, їх притягує магнітне поле.
Пояснення екстраординарним властивостям кластерів металів дав професор Жан-Ів Сайяр з Французького університету в Ренні: за його словами, 43 і 12 атомів алюмінію і міді організовуються в «суператом», в якому метали утворюють загальну електронну оболонку, що нагадує оболонку одного атома металу.
Отже, кластер має хімічні властивості атома. На зовнішній оболонці розташовані три валентних електрони, спини яких шикуються в магнітне поле, отже, спостерігається парамагнетизм.
База знань для нових каталізаторів
Гетерометалевий суператом є найбільшим отриманим в лабораторії «Те, що він утворився спонтанно, тобто без введення енергії, - це надзвичайно чудовий результат», - підкреслює Фішер. "Це показує, що розташування 55 атомів являє собою острів стабільності і, отже, визначає напрямок, в якому відбувається хімічна реакція.
В даний час дослідники мають намір використовувати результати своєї роботи для розробки дрібнозернистих і, отже, високоефективних каталізаторів. «Ми все ще далекі від того, щоб використовувати його в додатках», - підкреслює Фішер. "Але виходячи з того, що ми зараз досягли, ми можемо перевірити придатність мідно-алюмінієвих кластерів для каталітичних процесів, а також створити кластери з інших перспективних металів.
