19.10.2020 Zink und Bismut bilden Cluster mit Anwendungspotenzial

Zink-Bismut-Cluster bilden dünne Kristalle (mikroskopische Aufnahme links); das Schema zeigt die Struktur in Aufsicht.

Team aus der Chemie synthetisiert metallähnliches Molekül mit ungewöhnlichen Eigenschaften

Die Elemente 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“, indem es einen Cluster beschreibt, der aus 12 Zinkatomen besteht. Weitere Metallatome betten dieses ungewöhnliche Nanometall ein. Das Team hofft, dass sich das Produkt für die Katalyse einsetzen lässt, also zur Aktivierung und Beschleunigung chemischer Reaktionen.

Die meisten Metalle können Moleküle bilden, die Bindungen zwischen mehreren Atomen des jeweiligen Elements enthalten. „Die wenigen Ausnahmen sind für Synthesechemiker eine besondere Herausforderung“, erklärt die Marburger Chemikerin Professorin Dr. Stefanie Dehnen, eine der beiden Leitautoren der Studie.

Das Element Zink bietet hierfür 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“, legt Mitverfasser Armin Eulenstein aus Dehnens Arbeitsgruppe dar.

Koautor Yannick Franzke ergänzt: „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 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“, schwärmt 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.

Professorin Dr. Stefanie Dehnen lehrt Anorganische Chemie an der Philipps-Universität Marburg; seit Januar 2020 gehört sie dem Vorstand der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) als Vizepräsidentin an. Privatdozent Dr. Florian Weigend leitet seit April 2020 die Abteilung für Angewandte Quantenchemie an der Philipps-Universität Marburg, zuvor arbeitete er am Institut für Nanotechnologie des KIT.

Originalveröffentlichung: Armin R. Eulenstein, Yannick J. Franzke & al.: Stabilizing a Metalloid {Zn12} Unit within a Polymetallide Environment in [K2Zn20Bi16]6–, Nature Communications 2020