Создан гетерометаллический медно-алюминиевый суператом

Химия может быть весьма дорогостоящей. Например, платина используется для очистки выхлопных газов. Этот драгоценный металл действует как катализатор, ускоряющий химические реакции. Без катализаторов невозможно было бы осуществлять большое количество процессов в химической промышленности.

«Многие группы исследователей экспериментируют с новыми составами материалов, изготовленными из недорогих базовых металлов, таких как железо, медь или алюминий. Однако до сих пор никто не мог предсказать, как и почему реагируют эти катализаторы», — говорит профессор неорганической и металлорганической химии TUM Роланд Фишер. «Нашей целью было преодолеть этот разрыв и создать основу для понимания катализаторов нового поколения.»

Вместе со своей командой Роланд Фишер раскрыл секрет соединений неблагородных металлов. «Что было новым в нашем подходе, так это то, что мы не изучали существующие материалы, а вместо этого шли снизу вверх и строили соединения из отдельных атомов меди и алюминия», — объясняет Фишер.

Объединение двух металлов на атомарном уровне требует немало изобретательности: в защитной атмосфере аргона химики соединяли атомы металлов, которые связывались с органическими соединениями в пробирке, к которой добавляли растворитель.

«Естественно, мы надеялись, что атомы меди и алюминия отделятся от органических соединений и образуют кластер. Но действительно ли они это сделают и каким будет результат, было совершенно неясно», — говорит Фишер.

Химики были чрезвычайно рады обнаружить, что на дне пробирки образовались красновато-черные частицы диаметром до одного миллиметра. Рентгеновские снимки выявили чрезвычайно сложную структуру. В каждом случае 55 атомов меди и алюминия располагались так, что образовывали кристалл, поверхность которого состояла из 20 равносторонних треугольников — икосаэдр.

Дополнительные эксперименты показали, что химически кристаллы реагируют как отдельный атом меди, кроме того они являются парамагнитными, а значит, их притягивает магнитное поле.

Объяснение экстраординарным свойствам кластеров металлов дал профессор Жан-Ив Сайяр из Французского университета в Ренне: по его словам, 43 и 12 атомов алюминия и меди организуются в «суператом», в котором металлы образуют общую электронную оболочку, напоминающую оболочку одного атома металла.

Следовательно, кластер обладает химическими свойствами атома. На внешней оболочке расположены три валентных электрона, спины которых выстраиваются в магнитное поле, следовательно, наблюдаемый парамагнетизм.

База знаний для новых катализаторов

Гетерометаллический суператом является самым большим полученным в лаборатории «То, что он образовался спонтанно, то есть без ввода энергии, — это чрезвычайно замечательный результат», — подчеркивает Фишер. «Это показывает, что расположение 55 атомов представляет собой остров стабильности и, следовательно, определяет направление, в котором происходит химическая реакция.»

В настоящее время исследователи намерены использовать результаты своей работы для разработки мелкозернистых и, следовательно, высокоэффективных катализаторов. «Мы все еще далеки от того, чтобы использовать его в приложениях», — подчеркивает Фишер. «Но исходя из того, что мы сейчас достигли, мы можем проверить пригодность медно-алюминиевых кластеров для каталитических процессов, а также создать кластеры из других перспективных металлов.»

Jana Weßing et al, The Mackay-Type Cluster [Cu₄₃ Al₁₂ ](Cp*)12 : Open-Shell 67-Electron Superatom with Emerging Metal-Like Electronic Structure, Angewandte Chemie International Edition (2018). DOI: 10.1002/anie.201806039