På utsidan, ett kluster av 55 koppar- och aluminiumatomer ser ut som en kristall, men kemiskt, den har egenskaperna hos en atom. Den heterometalliska superatomen, som kemister från Münchens tekniska universitet (TUM) nu har skapat, ger förutsättningar för att utveckla nya, mer kostnadseffektiva katalysatorer.

Kemi kan vara dyrt. Till exempel, platina används för att rena avgaser. Denna ädla metall fungerar som en katalysator som påskyndar kemiska reaktioner. Utan katalysatorer, det skulle inte vara möjligt att genomföra ett stort antal processer inom den kemiska industrin.

"Många grupper av forskare experimenterar med nya materialföreningar gjorda av billigare basmetaller som järn, koppar eller aluminium. Dock, än så länge, ingen har kunnat förutse om, hur, och varför dessa katalysatorer reagerar, " förklarar Roland Fischer, professor i oorganisk och metallorganisk kemi vid TUM. "Vårt mål var att överbrygga denna klyfta och skapa grunden för att förstå en ny generation av katalysatorer."

Bottom-up-metoden ger resultat

Tillsammans med sitt team, kemisten har nu avslöjat en hemlighet med basmetallföreningar. "Det som var nytt med vårt tillvägagångssätt var att vi inte undersökte befintligt material, men istället gick nerifrån och upp och byggde föreningar gjorda av individuella koppar- och aluminiumatomer, " förklarar Fischer.

Att kombinera två metaller på atomnivå kräver ingen liten mängd kunskap och finess:Inom en skyddande argonatmosfär, kemisterna kombinerade metallatomerna som var bundna till organiska föreningar i ett provrör, till vilket de tillsatte ett lösningsmedel.

"Naturligtvis, vi hoppades att koppar- och aluminiumatomerna skulle separera från de organiska föreningarna och bilda ett kluster tillsammans. Men om de faktiskt skulle göra det och vad resultatet skulle bli var helt oklart, säger Fischer.

Kemisterna var oerhört glada över att konstatera att rödsvarta partiklar med en diameter på upp till en millimeter hade bildats i botten av provröret. Röntgenbilder avslöjade en extremt komplex struktur. I varje fall, 55 koppar- och aluminiumatomer var arrangerade så att de bildade en kristall vars yta bestod av 20 liksidiga trianglar.

Kristallografer kallar sådana former icosahedrons Ytterligare experiment visade att kemiskt, kristallerna reagerar som en enskild kopparatom och är också paramagnetiska, vilket innebär att de attraheras av ett magnetfält.

En förklaring till metallklustrens extraordinära egenskaper gavs av prof. Jean-Yves Saillard från det franska universitetet i Rennes:Enligt honom, 43 och 12 aluminiumatomer organiserar sig i en "superatom" där metallerna bildar ett delat elektronskal som liknar det hos en enda metallatom.

Därav, klustret har en atoms kemiska egenskaper. På det yttersta skalet finns tre valenselektroner vars snurr riktar in sig i ett magnetfält - därav den observerade paramagnetismen.

Kunskapsbas för nya katalysatorer

Den heterometalliska superatomen av forskarna i München är den största som någonsin gjorts i labbet. "Att det bildades spontant, dvs utan tillförsel av energi, ur en lösning är ett extremt anmärkningsvärt resultat, " betonar Fischer. "Det visar att arrangemanget av 55 atomer utgör en ö av stabilitet och bestämmer därför i vilken riktning den kemiska reaktionen äger rum."

Forskarna tänker nu använda resultaten av forskningsprojektet för att utveckla finkorniga och därmed mycket effektiva katalysatormaterial. "Vi är fortfarande långt borta från att kunna använda det i applikationer, " betonar Fischer. "Men baserat på vad vi nu har uppnått, vi kan verifiera lämpligheten av koppar-aluminiumkluster för katalytiska processer och även skapa kluster gjorda av andra lovande metaller."