Химия может быть весьма дорогостоящей. Например, платина используется для очистки выхлопных газов. Этот драгоценный металл действует как катализатор, ускоряющий химические реакции. Без катализаторов невозможно было бы осуществлять большое количество процессов в химической промышленности.
«Многие группы исследователей экспериментируют с новыми составами материалов, изготовленными из недорогих базовых металлов, таких как железо, медь или алюминий. Однако до сих пор никто не мог предсказать, как и почему реагируют эти катализаторы», — говорит профессор неорганической и металлорганической химии TUM Роланд Фишер. «Нашей целью было преодолеть этот разрыв и создать основу для понимания катализаторов нового поколения.»
Вместе со своей командой Роланд Фишер раскрыл секрет соединений неблагородных металлов. «Что было новым в нашем подходе, так это то, что мы не изучали существующие материалы, а вместо этого шли снизу вверх и строили соединения из отдельных атомов меди и алюминия», — объясняет Фишер.
Объединение двух металлов на атомарном уровне требует немало изобретательности: в защитной атмосфере аргона химики соединяли атомы металлов, которые связывались с органическими соединениями в пробирке, к которой добавляли растворитель.
«Естественно, мы надеялись, что атомы меди и алюминия отделятся от органических соединений и образуют кластер. Но действительно ли они это сделают и каким будет результат, было совершенно неясно», — говорит Фишер.
Новый процесс может сократить энергетические потребности в производстве удобрений
Химики были чрезвычайно рады обнаружить, что на дне пробирки образовались красновато-черные частицы диаметром до одного миллиметра. Рентгеновские снимки выявили чрезвычайно сложную структуру. В каждом случае 55 атомов меди и алюминия располагались так, что образовывали кристалл, поверхность которого состояла из 20 равносторонних треугольников — икосаэдр.
Дополнительные эксперименты показали, что химически кристаллы реагируют как отдельный атом меди, кроме того они являются парамагнитными, а значит, их притягивает магнитное поле.
Объяснение экстраординарным свойствам кластеров металлов дал профессор Жан-Ив Сайяр из Французского университета в Ренне: по его словам, 43 и 12 атомов алюминия и меди организуются в «суператом», в котором металлы образуют общую электронную оболочку, напоминающую оболочку одного атома металла.
Следовательно, кластер обладает химическими свойствами атома. На внешней оболочке расположены три валентных электрона, спины которых выстраиваются в магнитное поле, следовательно, наблюдаемый парамагнетизм.
База знаний для новых катализаторов
Гетерометаллический суператом является самым большим полученным в лаборатории «То, что он образовался спонтанно, то есть без ввода энергии, — это чрезвычайно замечательный результат», — подчеркивает Фишер. «Это показывает, что расположение 55 атомов представляет собой остров стабильности и, следовательно, определяет направление, в котором происходит химическая реакция.»
В настоящее время исследователи намерены использовать результаты своей работы для разработки мелкозернистых и, следовательно, высокоэффективных катализаторов. «Мы все еще далеки от того, чтобы использовать его в приложениях», — подчеркивает Фишер. «Но исходя из того, что мы сейчас достигли, мы можем проверить пригодность медно-алюминиевых кластеров для каталитических процессов, а также создать кластеры из других перспективных металлов.»
Химики в разы ускорили работу алгоритма USPEX
Источник: