Кукла в кукле, а потом еще одна, обволакивающая их снаружи - так объясняет свою молекулу Томас Фесслер. Он упаковывает один атом в клетку внутри каркаса атома. Благодаря своей большой поверхности эти структуры могут служить высокоэффективными катализаторами. Как и в русской деревянной игрушке, оболочка из двенадцати атомов меди заключает в себе один атом олова. Эта оболочка, в свою очередь, окружена еще 20 атомами олова. Рабочая группа профессора Фесслера из Института неорганической химии Мюнхенского технического университета (ТУМ) первой создала эти пространственные структуры, построенные в три слоя в виде изолированных металлических кластеров в бронзовых сплавах.
Особенно интересны изображения, которые исследователи используют для объяснения этих химических соединений и их свойств. В лаборатории вещество представляет собой невпечатляющий, мелкий, серовато-черный порошок, однако модели структуры имеют цвет и различные вложенные формы. Эти порошки с их большой поверхностью интересны в качестве промежуточного шага, например, для катализаторов, переносящих водород. Подобные структуры из кремния могут быть использованы в солнечных элементах для более эффективного улавливания солнечного света.
Большинство людей рассматривает металлы как однородные материалы с довольно невзрачной структурой. Соединения металлов из института Фесслера совершенно противоположны. Его стол завален различными разноцветными моделями клеток с желтыми сферами, представляющими атомы меди, и синими - олова. Нельзя не заметить аналогию с углеродными сферами, которые произвели сенсацию в виде Buckyballs. Здесь тоже есть геометрические структуры, состоящие из треугольников, пятиугольников и шестиугольников. Однако они сделаны не из углерода: более тяжелые металлы, такие как олово и свинец, также могут образовывать такие изолированные каркасные структуры.
«В основном нас интересуют необычные структуры сплавов, - говорит Фесслер. Например, бронза: эта смесь меди и олова, которая была открыта очень давно и дала название целой эпохе человечества, имеет кристаллическую структуру; атомы двух компонентов распределены равномерно по всему кристаллу и плотно упакованы вместе.
Новые изделия из бронзы из лаборатории Faessler отличаются от других. Кандидат наук Саския Штегмайер плавила особо чистую форму медной проволоки и оловянного гранулята в особых условиях - защищенных от воздуха и влаги в атмосфере аргона. Полученную таким образом бронзу затем запаивали в щелочной металл, такой как калий, в ампуле из тантала. Температура плавления тантала составляет 3000 градусов по Цельсию, что делает его особенно подходящим в качестве сосуда для соединения других металлов друг с другом.
Так появились новые металлические кластеры, вложенные друг в друга, как матрешка. Когда бронзу вместе с калием или натрием нагревают до 600-800 градусов Цельсия, щелочные металлы действуют как ножницы, разрезая сетку сплава, а затем прокладывая себе путь между частями, тем самым стабилизируя изолированные атомные кластеры. Сами по себе эти кластеры не могут организоваться в плотные однородно структурированные слои для образования кристаллов. Они состоят из пятиугольников с 20 атомами олова - созвездие, в котором повторяющиеся узоры невозможны в нормальных условиях. Но немного «обманывая» и используя атомы калия в качестве клея, можно получить, казалось бы, нормальный кристалл. В прошлом году израильский ученый Дан Шехтман получил Нобелевскую премию по химии за открытие аналогичного явления - так называемых квазикристаллов с пятикратной симметрией.
Наши кластеры - это маленькие единицы. Это, так сказать, груды атомов, не связанных со своими соседями. Это делает их идеальными для каталитических применений: «Поскольку они одинаковы по размеру, - объясняет Фесслер, - они намного лучше управляют химическими реакциями, чем классические катализаторы». например, в синтезе искусственных ароматизаторов, являются примерами таких процессов. Обычно для этого используются дорогие драгоценные металлы, такие как родий. Однако для той же цели могут служить новые полярные сплавы с магнием, кобальтом и оловом. реакция является катализатором с очень большой площадью поверхности». Классический метод достижения этого заключается в смешивании растворов двух солей металлов для осаждения очень маленьких наночастиц. «Это приводит к полному спектру размеров частиц», - объясняет Фесслер. может адаптировать катализатор к нашим потребностям, так сказать».
Однако реактор Штегмайера и Фесслера таил в себе еще больше сюрпризов. Помимо скоплений ученые заметили волокнообразный материал, похожий на тонкие иголки, концы которых могли немного сгибаться. «Мы подозревали, - говорит Штегмайер, - что это может оказаться захватывающим». Тем временем выход волокна был улучшен за счет использования натрия в качестве ножниц для резки бронзы. На этот раз в результате получились не сферы, а многослойные стержни. В середине находится цепочка атомов олова, окруженная слоем атомов меди, а вокруг него еще одна трубка из атомов олова. Так же, как полые молекулы матрешки напоминают Buckyballs, новые волокна с их трубками сродни углеродным нанотрубкам. Точно так же такие волокна однажды можно будет использовать в качестве молекулярных проводов с различными электрическими свойствами.