25.01.2016 (fjh)
Den schrittweisen Aufbau von Metallcluster-Verbindungen haben Chemiker aus Marburg und Karlsruhe verfolgt. Dabei handelt es sich um kleinste Ausschnitte von Metallen in molekularer Form.
Das Team untersuchte Cluster, die ein Übergangsmetall-Atom enthalten, das sich in einer Hülle aus Halbmetall-Atomen befindet. Diese Hülle formt sich schrittweise um das innere Atom, fanden die Wissenschaftler heraus.
Damit schließen sie aus, dass sich das zentrale Atom erst nachträglich einnistet. Das Online-Wissenschaftsmagazin "Nature Communications" berichtet am Montag (25. Januar) über die Ergebnisse.
Um chemische Verbindungen gezielt synthetisieren zu können, muss man die Mechanismen kennen, die für ihre Bildung verantwortlich sind. "Rein anorganische Verbindungen sind in dieser Hinsicht weitgehend eine black box", erklärte die Chemikerin Prof. Dr. Stefanie Dehnen von der Philipps-Universität als Korrespondenzautorin der aktuellen Studie. "Das gilt insbesondere für die Bildung vielkerniger Metallkomplexe, sogenannter Cluster."
Denn die Prozesse beim Umbau metallhaltiger Cluster gehen so schnell vonstatten, dass es normalerweise nicht möglich ist, diese Vorgänge und die Zwischenprodukte zu beobachten. Würde man die beteiligten Mechanismen jedoch vollständig kennen, so ließen sich für technische Anwendungen Metall-Cluster maßschneidern, die fein justierbare opto-elektronische und magnetische Eigenschaften aufweisen.
"Aber schon die allerersten Schritte sind noch weitgehend unerforscht und lassen sich nur aufklären, indem man chemische Synthese, Messung und computerchemische Modellierung miteinander kombiniert", legte Mitverfasser Dr. Florian Weigend vom Karlsruher Institut für Technologie dar. Er ist der zweite Korrespondenzautor des Aufsatzes.
Die Wissenschaftler verfolgten die Bildung eines vielkernigen Metallclusters, indem sie die aufeinanderfolgenden Kristallstrukturen beobachteten. Dafür synthetisierte die Gruppe eine Serie von Clustern, die aus den Halbmetallen Germanium und Arsen bestehen und die offenbar in definierten Schritten größer werden. Bei den größten Vertretern befindet sich ein Atom des Übergangsmetalls Tantal im Zentrum der Käfigmoleküle.
Die Befunde legen nahe, dass das Übergangsmetall bei der Clusterbildung sehr früh ins Spiel kommt. "Es kann als eine Art Katalysator angesehen werden, der das Knüpfen und Lösen von Bindungen anstößt, wenn die beobachteten Umformungen vonstattengehen", führte das Forschungsteam aus. Alles in allem zeigen die Befunde, dass sich das Übergangsmetall nicht in eine vorweg entstandene Clusterhülle einfügt, sondern dass sich die Schale des Clusters schrittweise um das Atom im Zentrum herum bildet.
In Verbindung mit quantenchemischen Berechnungen unter Weigends Leitung ergibt sich erstmals ein weitgehend quantitatives Gesamtbild. "Die Ergebnisse lassen sich für eine ganze Familie metallischer Clusterverbindungen verallgemeinern", schrieben die Autoren.
Neben Dehnen und Weigend sowie dem Doktoranden Stefan Mitzinger sind die Humboldt-Stipendiatin Dr. Lies Broeckaert und Prof. Dr. Werner Massa an der aktuellen Veröffentlichung beteiligt. Die zugrunde liegenden Forschungsarbeiten wurden durch die Alexander-von-Humboldt-Stiftung, die Friedrich-Ebert-Stiftung (FES) sowie die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziell unterstützt.
Dehnen lehrt Anorganische Chemie an der Philipps-Universität, wo sie außerdem als stellvertretende Sprecherin des DFG-Graduiertenkollegs "Funktionalisierung von Halbleitern" (GRK 1782) amtiert. Auch in der breitenwirksamen Vermittlung ihrer Forschung ist die Hochschullehrerin aktiv: Dehnen ist Direktorin des Mitmachlabors Chemikum Marburg.
pm: Philipps-Universität Marburg
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