Wunderschöne Struktur: Chemiker untersuchten Zink und Bismut

Zink und Bismut können nicht nur als Metalle vorliegen, die ein Kristallgitter aufweisen, sondern auch als Molekül mit Atombindungen zwischen den beteiligten Metallatomen: Das zeigt eine Forschungsgruppe aus Marburg und Karlsruhe im Wissenschaftsmagazin „Nature Communications“.
Sie beschreibt einen Cluster, der aus zwölf Zinkatomen besteht. Weitere Metallatome betten dieses ungewöhnliche Nanometall ein. Das Team hofft, dass sich das Produkt für die Katalyse zur Aktivierung und Beschleunigung chemischer Reaktionen einsetzen lässt.
Die meisten Metalle können Moleküle bilden, die Bindungen zwischen mehreren Atomen des jeweiligen Elements enthalten. „Die wenigen Ausnahmen sind für Synthesechemiker eine besondere Herausforderung“, erklärte die Marburger Chemikerin Prof. Dr. Stefanie Dehnen. Sie ist eine der beiden Leitautoren der Studie.
Das Element Zink bietet dafür ein gutes Beispiel: Die Atome des Metalls zeigen keine große Neigung, im molekularen Maßstab Bindungen mit anderen Zinkatomen einzugehen. „Daher galt es lange Zeit als unwahrscheinlich, dass Zink bei Raumtemperatur und moderatem Druck molekulare Aggregate bildet, so genannte metalloide Cluster“, legte Mitverfasser Armin Eulenstein aus Dehnens Arbeitsgruppe dar.
Koautor Yannick Franzke ergänzte: „Das warf für uns die spannende Frage auf: Wenn tatsächlich ein experimenteller Zugang gefunden würde – welche Eigenschaften würde ein solcher Cluster zeigen?“ Franzke gehört der Arbeitsgruppe des Quantenchemikers Privatdozent Dr. Florian Weigend an, die kürzlich vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) an die Philipps-Universität gewechselt ist.
Die beiden Arbeitsgruppen erzeugten einen Cluster im Nanometermaßstab, der aus den gut verfügbaren und vergleichsweise harmlosen Metallen Zink und Bismut besteht. Das Team untersuchte systematisch verschiedene Kombinationen von Elementen und stellte einen metallähnlichen Cluster aus zwölf Zinkatomen her. Er wird von einem Ring aus 24 Zink- und Bismutatomen zusammengehalten. Bei Raumtemperatur ergeben sich daraus dünne, schwarze Kristalle, die das Team mittels Röntgenkristallografie untersuchte.
„Der Cluster hat eine wunderschöne Struktur“, schwärmte Weigend, weist aber noch auf weitere Aspekte hin, die das Ergebnis für Experten interessant machen: Dazu zählen insbesondere die außergewöhnlichen Bindungseigenschaften, die auf ein großes Anwendungspotenzial hoffen lassen. „Wir beabsichtigen, diesen Metall-Cluster für Reaktivitätsstudien und für die Katalyse zu verwenden“, kündigt das Team an.
Dehnen lehrt Anorganische Chemie an der Philipps-Universität. Seit Januar 2020 gehört sie dem Vorstand der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) als Vizepräsidentin an.
Weigend leitet seit April 2020 die Abteilung für Angewandte Quantenchemie an der Philipps-Universität. Vorer hatte er am Institut für Nanotechnologie des KIT gearbeitet.

* pm: Philipps-Universität Marburg

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