Wie Metallcluster wachsen

  • 29. February 2016

Einblick in die Entwicklungsschritte ermöglicht maß­ge­schnei­derte opto-elek­tro­nische und mag­ne­tische Mate­rialien.

Erst der Kern, dann die Schale: Forscher aus Marburg und Karlsruhe haben den schrittweisen Aufbau von Metallcluster-Verbindungen, den kleinsten Ausschnitten von Metallen in molekularer Form, verfolgt. Die Hülle formt sich schrittweise um das innere Atom und nicht, indem sich das zentrale Atom erst nachträglich einnistet. Das Wissen über diese Entwicklungsschritte könnte maßgeschneiderte opto-elektronische und magnetische Eigenschaften ermöglichen.

Metallcluster

Abb.: Bildung eines Metallclusters von den atomaren Bestandteilen bis zur fertigen Verbindung. (Bild: AG Dehnen, U. Marburg)

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 Black­box“, erklären Florian Weigend vom Karlsruher Institut für Technologie und Stefanie Dehnen von der Uni Marburg. „Das gilt insbesondere für die Bildung viel­kerniger Metallkomplexe, der Cluster.“ Die Prozesse beim Umbau metall­haltiger Cluster gehen so schnell von­statten, dass es normaler­weise nicht möglich ist, diese Vorgänge und die Zwischen­produkte zu beobachten. „Schon die aller­ersten Schritte sind noch weit­gehend uner­forscht und lassen sich nur aufklären, indem man Synthese, Messung und computerchemische Modellierung miteinander kombiniert“, erklären die beiden Forscher. Würde man alle Entwicklungs­schritte kennen, so ließen sich für tech­nische An­wen­dungen Metall-Cluster maß­schneidern, die fein jus­tier­bare opto-elek­tro­nische und mag­ne­tische Eigen­schaften auf­weisen.

In der aktuellen Studie verfolgte das Team die Bildung eines vielkernigen Metallclusters, indem es zunächst eine Serie von Clustern verschiedener Größe synthetisierte, die aus den Halbmetallen Germanium und Arsen bestehen. Bei den größeren Vertretern befindet sich ein Atom des Über­gangs­metalls Tantal im Zentrum der Käfigmoleküle. Die Befunde aus Messung und Computersimulation legen nahe, dass das Übergangsmetall bei der Cluster­bildung sehr früh ins Spiel kommt. „Es kann als ein Art Katalysator an­ge­sehen werden, der das Knüpfen und Lösen von Bindungen anstößt“, so Weigend und Dehnen. 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. „Die Ergebnisse lassen sich für eine ganze Familie metallischer Clusterverbindungen verallgemeinern“, sind sich Weigend und Dehnen sicher.

KIT / RK

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