Chemie der Superatome

Aluminum-Cluster in Verbindung mit Jod-Atomen zeigen chemische Eigenschaften, die an Halogene oder Erdalkalis erinnern.

University Park (USA) - Jedes Element zeichnet sich durch eigene, typische Eigenschaften aus. Besonders zwischen den Hauptgruppen des Periodensystems ändert sich das Verhalten grundlegend. Doch amerikanische Physiker entdeckten nun, dass Cluster aus 13 oder 14 Aluminium-Atomen in Verbindung mit Jod-Atomen aus diesem System ausbrechen können. So zeigten diese Aluminium-Jod-Verbindungen chemische Eigenschaften, die eher an Halogene oder Erdalkalis erinnern. Auf dieser Grundlage gehen die Forscher sogar soweit, ein neues Periodensystem - geordnet nach den Eigenschaften dieser Superatome - vorzuschlagen. Ihre experimentellen und theoretischen Studien veröffentlichen sie in der Fachzeitschrift "Science".

Ein solches Aluminum-Jod-Superatom zeigt chemische Eigenschaften, die an Halogene oder Erdalkalis erinnern. (Quelle: Bergeron et al. Pen State University)

"Abhängig von der Anzahl der Aluminium-Atome in einem Cluster konnten wir demonstrieren, dass die Eigenschaften eher denen von Halogen oder Erdalkalis entsprechen", sagt A. Welford Castleman von der Penn State University. Das betreffe sowohl die chemischen Eigenschaften, die elektronische Struktur und die Geometrie der Cluster. Ausgangspunkt der Experimente war ein reiner, stabiler Aluminium-Cluster mit 13 Atomen. In der Gasphase bauten sie einen solchen Atomhaufen in ein Netzwerk aus Jod-Atomen ein. Dabei veränderte sich schlagartig die Chemie der ursprünglichen Jod-Verbindung: Weitere Jod-Jod-Bindungen brachen auf und gingen neue Verknüpfungen mit den Aluminium-Atomen in dem symmetrischen Verbund ein. Insgesamt lagerten Castleman und Kollegen sogar 12 Jod-Atome jeweils an die außen liegenden 12 Aluminium-Atome an. Eine bisher unbekannte Form eines Polyjodids entstand. "Die Produktion von solchen Spezies ist eine mitreißende Entdeckung, die zu völlig neuen Verbindungen mit einer neuen Chemie und Anwendungen führen könnte", so Castleman.

In einem weiteren Versuch gingen sie von einem Al-14-Cluster aus, der ebenfalls mit Jod kombiniert wurde. Im Unterschied zu dem ersten neuen Molekül zeigten sich hier wieder ganze andere Eigenschaften, die eher typisch für Erdalkali-Elemente aus der 2. Hauptgruppe des Periodensystems sind. Aluminium selbst findet sich in der 3. und Jod in der 7. Hauptgruppe. Dabei zeigte sich im Reaktionsverhalten, dass diese Superatome keine kurzlebigen Exoten darstellten, sondern durchaus stabil waren.

Der Ursache für diese Stabilität gingen die Physiker mit begleitenden theoretischen Studien auf den Grund. Sie machen die komplette Neuverteilung der elektronischen Zustände im Cluster, die für das Bindungsverhalten die zentrale Rolle spielen, verantwortlich. "Diese Ergebnisse geben uns Hinweise, dass wir auf dem Weg zu einem Periodensystem von "Cluster-Elementen" sind." Ob Castleman mit dieser Meinung nicht zu weit vorprescht, müssen weitere Versuche mit anderen Elementen zeigen. Denn bisher war es durchaus schon bekannt, dass Cluster eines Elements weder die Eigenschaften einzelner Atome oder ganzer Festkörper aus dem identischen Material aufwiesen. Doch gravierende Unterschiede, die sogar Ähnlichkeiten zu anderen Hauptgruppen-Elementen zeigen, lagen bisher nicht vor.

Indes gehen die Ideen der Physiker weiter. So könnte der Ersatz eines Jod-Atoms durch einen Al-13-Cluster bestimmte Polymere zu einer besseren Leitfähigkeit verhelfen. Umgekehrt könnten Zusätze von Al-13-Jod-Clustern reines Aluminium vor der Oxidation bewahren. Inwieweit diese Vorschläge umsetzbar sind, bleibt jedoch abzuwarten.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• D. E. Bergeron et al., Al Cluster Superatoms as Halogens in Polyhalides and as Alkaline Earths in Iodide Salts, Science 307, 231 (2005). 
• Penn State University: 
  http://www.psu.edu/ 
• Arbeitsgruppe Castleman: 
  http://www.chem.psu.edu/profs/Castleman.html 
• Cluster-Physik, Überblick: 
  http://www.clusterphysik.uni-konstanz.de/lehre/Nano/ 
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Superatome finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Chemische Physik.

Weitere Literatur:

• R. E. Leuchnter, A. C. Harms, A. W. Castleman Jr., J. Chem. Phys. 94, 1093 (1991). 
• B. K. Rao, S. N. Khanna, P. Jena, J. Cluster Sci. 10, 477 (1999). 
• C.-Y. Cha, G. Gantefoer, W. Eberhardt, J. Chem. Phys. 100, 995 (1994). 
• X. Li, H. Wu, X.-B. Wang, L.-S. Wang, Phys. Rev. Lett. 81, 1909 (1998). 
• W. Eckardt, Phys. Rev. B 29, 1558