All'esterno, un grappolo di 55 atomi di rame e alluminio sembra un cristallo, ma chimicamente, ha le proprietà di un atomo. L'eterometallico superatom, che i chimici dell'Università tecnica di Monaco di Baviera (TUM) hanno ora creato, fornisce i presupposti per lo sviluppo di nuovi, catalizzatori più economici.

La chimica può essere costosa. Per esempio, il platino viene utilizzato per pulire i gas di scarico. Questo metallo prezioso funge da catalizzatore che accelera le reazioni chimiche. Senza catalizzatori, non sarebbe possibile eseguire un gran numero di processi nell'industria chimica.

"Molti gruppi di ricercatori stanno sperimentando nuovi composti di materiali fatti di metalli di base a basso costo come ferro, rame o alluminio. Però, finora, nessuno è stato in grado di prevedere se, come, e perché questi catalizzatori reagiscono, " spiega Roland Fischer, professore di chimica inorganica e metallo-organica alla TUM. "Il nostro obiettivo era colmare questo divario e creare le basi per comprendere una nuova generazione di catalizzatori".

L'approccio bottom-up produce risultati

Insieme alla sua squadra, il chimico ha ora scoperto un segreto dei composti di metalli di base. "La novità del nostro approccio è che non abbiamo esaminato i materiali esistenti, ma invece è andato dal basso verso l'alto e ha costruito composti fatti di singoli atomi di rame e alluminio, " spiega Fischer.

La combinazione di due metalli a livello atomico richiede non poco know-how e finezza:all'interno di un'atmosfera protettiva di argon, i chimici combinarono gli atomi di metallo che erano legati ai composti organici in una provetta, a cui hanno aggiunto un solvente.

"Naturalmente, speravamo che gli atomi di rame e alluminio si separassero dai composti organici e formassero un cluster insieme. Ma se l'avrebbero fatto davvero e quale sarebbe stato il risultato non era del tutto chiaro, "dice Fischer.

I chimici furono estremamente felici di scoprire che sul fondo della provetta si erano formate particelle nero-rossastre con un diametro fino a un millimetro. Le immagini a raggi X hanno rivelato una struttura estremamente complessa. In ogni caso, 55 atomi di rame e alluminio erano disposti in modo tale da formare un cristallo la cui superficie era costituita da 20 triangoli equilateri.

I cristallografi chiamano queste forme icosaedri Ulteriori esperimenti hanno mostrato che chimicamente, i cristalli reagiscono come un singolo atomo di rame e sono anche paramagnetici, il che significa che sono attratti da un campo magnetico.

Una spiegazione delle straordinarie proprietà degli ammassi metallici è stata fornita dal prof. Jean-Yves Saillard dell'università francese di Rennes:secondo lui, 43 e 12 atomi di alluminio si organizzano in un "superatomo" in cui i metalli formano un guscio di elettroni condiviso che assomiglia a quello di un singolo atomo di metallo.

Quindi, il cluster ha le proprietà chimiche di un atomo. Sul guscio più esterno ci sono tre elettroni di valenza i cui spin si allineano in un campo magnetico, da qui il paramagnetismo osservato.

Base di conoscenza per nuovi catalizzatori

Il superatom eterometallico dei ricercatori di Monaco è il più grande mai realizzato in laboratorio. "Che si è formato spontaneamente, cioè senza l'apporto di energia, di una soluzione è un risultato estremamente notevole, " sottolinea Fischer. "Mostra che la disposizione di 55 atomi costituisce un'isola di stabilità e quindi determina la direzione in cui avviene la reazione chimica".

I ricercatori ora intendono utilizzare i risultati del progetto di ricerca per sviluppare materiali catalizzatori a grana fine e quindi altamente efficaci. "Siamo ancora lontani dal poterlo utilizzare nelle applicazioni, " sottolinea Fischer. "Ma in base a ciò che abbiamo ottenuto ora, possiamo verificare l'idoneità dei cluster rame-alluminio per i processi catalitici e anche creare cluster fatti di altri metalli promettenti".