Химики создали бронзовую атомарную матрёшку

Учёные сумели упаковать единственный атом в решётку из других атомов, которую, в свою очередь, поместили в ещё большую атомарную клетку.

Группа Томаса Фесслера (Thomas F. F?ssler) из технического университета Мюнхена (TUM) разработала способ изготовления сложных комплексов вложенных друг в друга молекул. Полученные кластеры атомов по виду напоминают фуллерены и многослойные нанотрубки, но сделаны не из привычного в таких случаях углерода, а из металлов.

С известной куклой новую структуру сравнивают сами экспериментаторы. Они поместили изображение матрёшки даже в своей научной статье (иллюстрация Saskia Stegmaier, Thomas F. F?ssler/ TUM).

«Матрёшка» Фесслера – это атом олова, расположенный, словно в шкатулке, в клетке из двенадцати атомов меди. А эта клетка сама находится в кристаллической оболочке из 20 атомов олова. Можно сказать, что перед нами бронза. Но очень необычная.

Важно, что Томас и его коллеги научились изготавливать не единичные такие атомарные «матрёшки», но мириады. Фактически учёные сумели получить целые россыпи таких структур. Они выглядят как тёмно-серый порошок. И это – перспективный катализатор с огромной площадью поверхности, утверждают немецкие новаторы.

Они поясняют, что для проведения целого ряда реакций сейчас используются дорогие катализаторы-металлы, вроде родия. Между тем во многих случаях работу могли бы выполнять магний, кобальт или то же олово, если бы их атомы удалось организовать определённым образом.

Традиционный метод получения подобного металлического катализатора – смешивание солей и осаждение из такого раствора металлических наночастиц. Но эти частицы получаются разных размеров. Новый же способ позволяет куда тоньше настраивать и структуру частиц, размер и тем самым моделировать катализатор под конкретные нужды.

По информации EurekAlert, авторы получили необычный состав следующим образом.

Сначала химики расплавили смесь меди и олова в атмосфере аргона, получив чистую бронзу. Затем этот сплав поместили в танталовую ампулу вместе с щелочным металлом (использовались по очереди калий, натрий, рубидий и цезий).

При нагреве тигеля до 600-800 градусов по Цельсию щелочные металлы действовали как ножницы, разрезавшие решётку сплава на кусочки – многоугольные атомарные кластеры.

Такие «снежинки» сами не могли собраться в кристаллическую решётку, но тут щелочной металл играл вторую роль – клея. Таким образом запускался процесс, напоминающий формирование
квазикристаллов.

В результате появлялась структура с формулой (Sn@Cu₁₂@Sn₂₀)^12-. Эти анионы были разделены катионами щелочных металлов, так что общая формула состава такова: A₁₂Cu₁₂Sn₂₁, где А – тот или иной щелочной металл. Такую сложную структуру химики охарактеризовали как солеподобный интерметаллид.

В дополнение к металлическим сферам, напоминающим фуллерены, исследователи извлекли из ампулы и тонкие иглоподобные волокна.

Микроскопические волокна-интерметаллиды по строению напоминают электрические кабели с многослойной оболочкой (фото Andrea Hoffmann/ TUM).

Анализ показал, что эти «нанокабели» обладают аналогичной внутренней структурой: цепочки атомов олова тут окружены слоем атомов меди, а вокруг них располагается ещё одна трубка из атомов олова. Всё вместе скрепляется «клеем» из натрия. Формула бронзовых нанотрубок получилась вот такой: Na_2,8Cu₅Sn_5,6.

Эти структуры, по мнению создателей, пригодятся в роли молекулярных проводов с настраиваемыми электрическими свойствами.