En docka i en docka, och sedan en till, omsluter dem utifrån - så förklarar Thomas Faessler sin molekyl. Han packar en atom i en bur inom en atomram. Med sina stora ytor kan dessa strukturer fungera som mycket effektiva katalysatorer. Precis som i den ryska träleksaken, ett skrov med tolv kopparatomer omsluter en enda tennatom. Detta skrov är, i tur och ordning, omslagen av ytterligare 20 tennatomer. Professor Faesslers arbetsgrupp vid Institutet för oorganisk kemi vid Technische Universitaet Muenchen (Tyskland) var den första som genererade dessa rumsliga strukturer byggda i tre lager som isolerade metallkluster i bronslegeringar.

Särskilt fascinerande är de bilder forskarna använder för att förklara dessa kemiska föreningar och deras egenskaper. I laboratoriet är ämnet en imponerande, bra, gråsvart pulver, men strukturmodellerna är i färg och i olika kapslade former. Dessa pulver, med sina stora ytor, är intressanta som ett mellansteg för katalysatorer som överför väte, till exempel. Liknande strukturer gjorda av kisel kan användas i solceller för att fånga upp ljus från solen mer effektivt.

De flesta människor betraktar metaller som enhetliga material med en ganska spektakulär struktur. Metallföreningarna från Faesslers institut är tvärtom. Hans skrivbord är högt staplat med olika flerfärgade burmodeller med gula kulor som representerar kopparatomer och blåa för tenn. Analogin med kolsfärerna som orsakade en känsla som Buckyballs kan inte förbises. Här, för, det finns geometriska strukturer som består av trianglar, femkanter och sexkanter. Dock, de är inte gjorda av kol:tyngre metaller som tenn och bly kan också bilda sådana isolerade burstrukturer.

"Vi är i princip intresserade av legeringsstrukturer som är ovanliga, "säger Faessler. Brons, till exempel:denna blandning av koppar och tenn, som upptäcktes tidigt och gav sitt namn till en hel mänsklighetens ålder, har en kristallin struktur; atomerna i de två komponenterna fördelas jämnt i hela kristallen och packas tätt ihop.

De nya bronserna från Faessler -laboratoriet är olika. Doktoranden Saskia Stegmaier smält en särskilt ren form av koppartråd och tenngranulat under speciella förhållanden - skyddade från luft och fukt i en argonatmosfär. Bronset framställt på detta sätt förseglades sedan i en alkalimetall, såsom kalium, i en ampull av tantal. Smältpunkten för tantal är 3, 000 grader Celsius, vilket gör den särskilt väl lämpad som ett kärl för att binga andra metaller i kontakt med varandra.

Detta är hur de nya metallklustren, nästlade inuti varandra precis som den ryska dockan, kom till. När bronset värms upp, tillsammans med kalium eller natrium, till 600 till 800 grader Celsius, alkalimetallerna fungerar som en sax som skär upp legeringsgallret och sedan kantar sig mellan bitarna, därigenom stabiliseras de isolerade atomklusterna. Själva, dessa kluster kan inte organisera sig i täta, enhetligt strukturerade lager för att bilda kristaller. De består av femkanter med totalt 20 tennatomer - en konstellation där repetitiva mönster inte är möjliga under normala förhållanden. Men att "fuska" lite och använda kaliumatomer som lim kan ge en till synes normal kristall. Förra året fick den israeliske forskaren Dan Shechtman Nobelpriset för kemi för upptäckten av ett liknande fenomen-de så kallade kvasi-kristallerna med femfaldig symmetri.

"Våra kluster är små enheter. De är, så att säga, högar av atomer som inte är anslutna till sina grannar. "Det gör dem idealiska för katalytiska tillämpningar:" Eftersom de är konsekventa i storlek, "förklarar Faessler, "de är mycket bättre på att styra kemiska reaktioner än klassiska katalysatorer." Hydreringsreaktioner där väteatomer ansluter till organiska molekylkedjor med syreatomer, t.ex. vid syntes av konstgjorda smaker, är exempel på sådana processer. Vanligtvis, dyra ädelmetaller som rodium används för detta. Dock, nya polära legeringar med magnesium, kobolt och tenn kan tjäna samma syfte. "Det vi behöver för en effektiv reaktion är en katalysator med mycket stor ytarea." Den klassiska metoden för att uppnå detta är att blanda lösningar av två metallsalter för att fälla ut extremt små nanopartiklar. "Detta resulterar i ett helt spektrum av partikelstorlekar, "förklarar Faessler. Med metallkluster kan vi skräddarsy katalysatorn efter våra behov, som det var."

Dock, Stegmaiers och Faesslers reaktionskärl innehöll fler överraskningar. Bortsett från klustren, forskarna märkte ett fiberliknande material-som tunna nålar-vars ändar kunde böjas lite. "Vi misstänkte, säger Stegmaier, "Det här kan visa sig vara spännande." Under tiden har fibrernas utbyte förbättrats genom att använda natrium som sax för att klippa upp bronset. Den här gången blev resultatet inte sfärer, men flerskiktsstavar. I mitten finns en sträng av tennatomer, omgiven av ett lager kopparatomer, och runt det ännu ett rör av tennatomer. Precis som de ihåliga Matryoshka -molekylerna påminner om Buckyballs, de nya fibrerna med sina rör liknar kolnanorör. Analogt, sådana fibrer kan en dag användas som molekylära trådar med olika elektriska egenskaper.