Создание медно-алюминиевого суператома

В журнале  Angewandte Chemie International Edition была опубликована статья учёных-химиков из Технического Университета Мюнхена (Technical University of Munich - TUM), в которой они описали создание очередного стабильного суператома. Гетеро-металлический суператом, который создали немецкие химики, обеспечивает условия для разработки экономически эффективных катализаторов.

Внешне кластер из 55 атомов меди и алюминия похож на кристалл. Химически, однако, он обладает свойствами атома. Это самый большой из когда-либо созданных в лабораторных условиях гетеро-металлический суператом, состоящий из 43 атомов меди и 12 атомов алюминия, которые формируют свойства кластера. Химия может быть дорогостоящей. Например, платина используется для очистки выхлопных газов. Этот драгоценный металл действует как катализатор, ускоряющий химические реакции. Без катализаторов было бы невозможно осуществлять большое количество процессов в химической отрасли.

Как объясняет г-н Роланд Фишер (Roland Fischer), профессор кафедры неорганической и металлоорганической химии Технического Университета Мюнхена, многие исследователи экспериментируют с новыми соединениями, выполненными из более дешёвых базовых металлов, таких как железо, медь или алюминий. Тем не менее, до сих пор никто не смог предсказать, как, почему и вообще вступят ли эти катализаторы в реакцию. Цель исследований группы учёных из Технического Университета Мюнхена заключалась в ликвидации этого пробела и создании основы для понимания катализаторов нового поколения. Вместе со своей командой профессор Фишер раскрыл секрет металлосодержащих соединений. Они использовали новый подход, который заключался в том, что исследовались не существующие материалы, а создавались новые соединения из отдельных атомов меди и алюминия, то есть действовали по принципу "снизу—вверх". Объединение двух металлов на атомном уровне требует немалых знаний, высокого мастерства и точности. В защитной атмосфере аргона химики соединили атомы металлов, которые были связаны с органическими соединениями в пробирке, куда затем был добавлен растворитель.

Как вспоминает профессор Фишер, естественно, была надежда, что атомы меди и алюминия после отделения от органических соединений вместе образуют кластер. Но произойдёт ли это действительно так, и каков будет результат, было абсолютно неясно. К радости химиков, они обнаружили, что на дне пробирки образовались красновато-чёрные частицы  диаметром до одного миллиметра. На рентгенограмме была видна исключительно сложная структура. В каждом случае 55 атомов меди и алюминия были расположены таким образом, что они образовывали кристалл, поверхность которого состояла из 20 равносторонних треугольников. Специалисты по рентгеноструктурному анализу называют такие формы двадцатигранниками (икосаэдрами). Дополнительно проведенные эксперименты показали, что кристаллы химически ведут себя, как отдельный атом меди, и они также обладают парамагнитными свойствами, это означает, что они притягиваются магнитным полем.

Объяснение необычных свойств металлических кластеров дал профессор Жан-Ив Сайллард (Jean-Yves Saillard) из французского университета в городе Ренн (Rennes): 43 атомов меди и 12 атомов алюминия превращаются в "суператом", в котором металлы образуют общую электронную оболочку, напоминающую оболочку одного атома металла. Таким образом, кластер обладает химическими свойствами атома. На внешней электронной оболочке расположены три валентных электрона, спины которых выстраиваются в магнитное поле – поэтому наблюдаются парамагнитные свойства.

Как подчёркивает профессор Фишер, то, что гетеро-металлический суператом, самый крупный из всех когда-либо созданных в лабораторных условиях, был получен учёными из Мюнхена спонтанно, является замечательным результатом, который показывает, что образование из 55 атомов представляет собой остров стабильности и, следовательно, определяет направление, в котором происходит химическая реакция. Теперь учёные собираются использовать результаты исследовательского проекта для разработки мелкозернистых и, следовательно, высокоэффективных катализаторов. Они ещё далеки от того, чтобы использовать эти результаты на практике, но на их основании уже могут подтвердить пригодность медно-алюминиевых кластеров для каталитических процессов и также готовы создавать кластеры из других перспективных металлов.