Una bambola in una bambola, e poi un altro, avvolgendoli dall'esterno:così Thomas Faessler spiega la sua molecola. Impacchetta un atomo in una gabbia all'interno di una struttura atomica. Con le loro grandi superfici queste strutture possono fungere da catalizzatori altamente efficienti. Proprio come nel giocattolo di legno russo, un guscio di dodici atomi di rame racchiude un singolo atomo di stagno. Questo scafo è, a sua volta, avvolto da altri 20 atomi di stagno. Il gruppo di lavoro del professor Faessler presso l'Istituto di chimica inorganica della Technische Universitaet Muenchen (Germania) è stato il primo a generare queste strutture spaziali costruite in tre strati come cluster metallici isolati in leghe di bronzo.

Particolarmente affascinanti sono le immagini che i ricercatori usano per spiegare questi composti chimici e le loro proprietà. In laboratorio la sostanza è insignificante, bene, polvere grigio-nera, tuttavia i modelli di struttura sono a colori e in varie forme nidificate. Queste polveri, con le loro grandi superfici, sono interessanti come passaggio intermedio per catalizzatori che trasferiscono idrogeno, ad esempio. Strutture simili in silicio potrebbero essere utilizzate nelle celle solari per catturare la luce del sole in modo più efficace.

La maggior parte delle persone vede i metalli come materiali uniformi con una struttura piuttosto poco spettacolare. I composti metallici dell'istituto di Faessler sono esattamente l'opposto. La sua scrivania è piena di vari modelli di gabbie multicolori con sfere gialle che rappresentano atomi di rame e sfere blu per lo stagno. L'analogia con le sfere di carbonio che hanno fatto scalpore come Buckyballs non può essere trascurata. Qui, pure, ci sono strutture geometriche fatte di triangoli, pentagoni ed esagoni. Però, non sono fatti di carbonio:anche metalli più pesanti come stagno e piombo possono formare tali strutture a gabbia isolate.

"Siamo fondamentalmente interessati a strutture in lega fuori dal comune, " dice Faessler. Bronzo, per esempio:questa miscela di rame e stagno, che è stato scoperto presto e ha dato il nome a un'intera epoca dell'umanità, ha una struttura cristallina; gli atomi dei due componenti sono distribuiti uniformemente in tutto il cristallo e sono densamente impacchettati insieme.

I nuovi bronzi del laboratorio Faessler sono diversi. La dottoranda Saskia Stegmaier ha fuso una forma particolarmente pura di filo di rame e granulato di stagno in condizioni speciali, al riparo dall'aria e dall'umidità in un'atmosfera di argon. Il bronzo così prodotto veniva poi sigillato in un metallo alcalino come il potassio in un'ampolla di tantalio. Il punto di fusione del tantalio è 3, 000 gradi Celsius, che lo rende particolarmente adatto come recipiente per il contatto di altri metalli tra loro.

Ecco come i nuovi cluster metallici, annidate l'una dentro l'altra proprio come la bambola russa, venuto all'esistenza. Quando il bronzo è riscaldato, insieme a potassio o sodio, a 600-800 gradi Celsius, i metalli alcalini agiscono come forbici che tagliano la griglia della lega e poi si fanno strada tra i pezzi, stabilizzando così i cluster atomici isolati. Da soli, questi cluster non possono organizzarsi in densi, strati uniformemente strutturati per formare cristalli. Sono costituiti da pentagoni con 20 atomi di stagno in tutto, una costellazione in cui non sono possibili schemi ripetitivi in ​​condizioni normali. Ma "barare" un po' e usare atomi di potassio come colla può produrre un cristallo apparentemente normale. L'anno scorso lo scienziato israeliano Dan Shechtman ha ricevuto il Premio Nobel per la chimica per la scoperta di un fenomeno simile:i cosiddetti quasi-cristalli con simmetria quintuplicata.

"I nostri cluster sono piccole unità. Sono, per così dire, pile di atomi che non sono collegati ai loro vicini." Ciò li rende ideali per applicazioni catalitiche:"Poiché sono di dimensioni coerenti, " spiega Faessler, "sono molto più bravi a guidare le reazioni chimiche rispetto ai catalizzatori classici". Reazioni di idratazione in cui gli atomi di idrogeno si agganciano a catene di molecole organiche con atomi di ossigeno, per esempio. nella sintesi di aromi artificiali, sono esempi di tali processi. Tipicamente, per questo vengono utilizzati metalli preziosi costosi come il rodio. Però, nuove leghe polari con magnesio, cobalto e stagno possono servire allo stesso scopo. "Ciò di cui abbiamo bisogno per una reazione efficiente è un catalizzatore con un'area superficiale molto ampia". Il metodo classico per ottenere ciò è mescolare soluzioni di due sali metallici per precipitare nanoparticelle estremamente piccole. "Ciò si traduce in un intero spettro di dimensioni delle particelle, " spiega Faessler. Con i cluster metallici possiamo adattare il catalizzatore alle nostre esigenze, com'era."

Però, Il recipiente di reazione di Stegmaier e Faessler conteneva altre sorprese. A parte i grappoli, gli scienziati hanno notato un materiale simile alla fibra, come aghi sottili, le cui estremità potrebbero essere leggermente piegate. "Sospettavamo, "dice Stegmaier, "questo potrebbe rivelarsi eccitante." Nel frattempo la resa delle fibre è stata migliorata utilizzando il sodio come forbici per tagliare il bronzo. Questa volta il risultato non erano sfere, ma canne multistrato. Nel mezzo c'è una stringa di atomi di stagno, circondato da uno strato di atomi di rame, e intorno a quell'ennesimo tubo di atomi di stagno. Proprio come le molecole vuote della matrioska ricordano Buckyballs, le nuove fibre con i loro tubi sono simili ai nanotubi di carbonio. Analogamente, tali fibre potrebbero un giorno essere utilizzate come fili molecolari con varie proprietà elettriche.