Бронзовая молекулярная матрешка: металл в металле

Томас Фесслер сравнивает свою молекулу с матрешкой. Он поместил один атом в пределы структуры другого атома

Подобные структуры могут служить очень эффективными катализаторами. Так же как в матрешке, корпус из двенадцати медных атомов служит «шкатулкой» для одного атома олова. Этот корпус, в свою очередь, окружен «шкатулкой» из 20 атомов олова. Рабочая группа во главе с профессором Фесслером в Институте неорганической химии при Мюнхенском техническом университете стала пионерами в создании подобных структур в бронзовых сплавах. Подобные структуры из кремния, например, могут использоваться для изготовления солнечных батарей, которые смогут гораздо эффективнее накапливать солнечный свет.

Обычно металлы рассматриваются как однородные материалы с довольно простой структурой. Металлические составляющие Фесслера – это совсем другая история.

«Мы в основном интересуемся нестандартными структурами сплавов», – говорит Фесслер. Например, бронза: эта смесь меди и олова имеет кристаллическую структуру; атомы двух этих компонентов равномерно распределены по всему кристаллу и плотно сложены.

Новое изобретение Фесслера отличается от привычной бронзы. Доктор философии Саския Стэгмайер разделил медь и олово при специальных условиях - в атмосфере аргона, защищенной от воздуха и влажности. Бронза, произведенная таким способом, была запечатана в щелочной металл, это был калий в ампуле, состоящей из тантала. Точка плавления тантала составляет 3 000 градусов Цельсия, что делает этот материал идеальным, чтобы заставлять другие материалы контактировать друг с другом, при этом избегая сторонней реакции.

Появились новые металлические кластеры, которые помещаются друг в друга по такому же принципу, что и матрешка. Когда бронза вместе с калием или натрием нагревается до 600-800 градусов Цельсия, щелочные металлы ведут себя как ножницы, которые обрезают сетку сплава, а затем обрамляют кромкой их путь между элементами, таким образом стабилизируя изолированные атомные кластеры. Самостоятельно эти кластеры не могут организовать себя в плотные, однородно структурированные слои, которые формируют кристаллы. Они составляются из пятиугольников с 20 атомами олова – получается «созвездие», в котором повторяющиеся паттерны не возможны при нормальных условиях. Но если их обмануть и использовать атомы калия в качестве клея, может быть произведен нормальный на вид кристалл. В прошлом году израильский ученый Дэн Шехтман получил Нобелевскую премию по химии за открытие подобного явления - так называемые квазикристаллы с пятикратной симметрией.

Металлический кластер строится по принципу матрешки (фото sciencedaily.com)

«Наши кластеры – это маленькие единицы. Это, если можно так выразиться, груды атомов, которые не связаны со своими соседями». Это делает их идеалом для разработок в области каталитических реакций: «Поскольку они имеют устойчивые формы и размеры, эти кластеры гораздо лучше подходят для управляемых химических реакций, чем классические катализаторы», - объясняет Фесслер. - Реакции гидратации, где атомы водорода состыковываются с молекулярными органическими цепями с помощью атомов кислорода; например, реакции синтеза искусственных ароматов являются примерами таких процессов. Как правило, для этого используются дорогие материалы, как родий. Однако новые сплавы с магнием, кобальтом и оловом выполняют такие же функции. «То, что нам нужно для эффективной реакции - это катализатор с очень большой поверхностью».

Молекулярная матрешка с метаном в центре (фото rzepa.net)

Классический метод достижения такой цели должен включать смешение растворов двух металлических солей, чтобы ускорить меленькие наночастицы. «Это приводит к полной спектрации размеров частиц, - объясняет Фэсслер. - С металлическими кластерами мы можем спроектировать катализатор, который будет соответствовать нашим потребностям, какими бы они не были».

Однако сосуд с реагентом Фесслера показал и некоторые неожиданности. Кроме кластеров ученые заметили материал, подобный волокну - как тонкие иглы, чьи концы немного загнуты.

Тем временем выработка волокон была усовершенствована с помощью натрия, используемого в качестве ножниц, которые способны «срезать» бронзу. Новые волокна родственны углеродным нанотрубкам. Очевидно, результаты этого открытия могут использоваться в проектировании молекулярных проводов с различными электрическими свойствами.