Wie Metallcluster wachsen
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.
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
