Ein Dutzend auf einen Streich: Grundprinzip für Legierungen entdeckt

Als Hüttenleute, die ihre Stahlküche in der Nanowelt betreiben, entpuppen sich Chemiker um Prof. Dr. Roland A. Fischer (Fakultät für Chemie der RUB). Im Niemandsland zwischen Molekül und Metall haben sie eine neue Stoffklasse entdeckt.

Der Prototyp dieser neuen „Nanolegierungen“ ist eine Verbindung aus einem zentralen Molybdän-Atom, das zwölf Zink-Atome an sich bindet. Das zwölfeckige Metallklümpchen, ein so genannter Ikosaeder, ist in Kohlenwasserstoffe eingekleidet und dadurch überraschend stabil.

Sein Bauprinzip ist auf viele Metallatome als Zentrum und auf andere Formen übertragbar, z.B. die eines Würfels. Auch sind die Zinkatome durch andere Metallatome austauschbar, sogar gegen Gold. Darüber berichten die Forscher zeitgleich in der Titelgeschichte von „Angewandte Chemie“ und in Chemistry & Engineering News der American Chemical Society.

Verzinkte und vergoldete Metallatome

Gregorius Agricolas berühmtes Werk über das Bergbau- und Hüttenwesen aus dem Jahr 1556 umfasste das Wissen seiner Zeit über die Metallkunde. De re metallica wäre auch ein guter Titel für ein heutiges Chemie-Lehrbuch, sind doch vier Fünftel aller Elemente des Periodensystems Metalle. Zink ist ein besonders wichtiges Legierungsmetall. So besteht zum Beispiel Messing aus einer Mischung aus Kupfer und Zink. Auf der atomaren Ebene entspricht das „Legieren“ der Bildung von Metallclustern, kleinen Klümpchen aus mehreren Metallatomen. Ein zentrales Metallatom bindet andere Metallatome an sich, so dass eine Struktur entsteht, die so viele Ecken wie ans zentrale Atom gebundene andere Atome hat. Je nach den Bindemöglichkeiten der Metallatome entstehen höhere Strukturen. „Besonders schön ist der 'Ikosaeder', ein 'Zwanzigflächner' aus lauter gleichseitigen Dreiecken mit zwölf Ecken“, beschreibt Prof. Fischer. „Er ist der höchstsymmetrische, platonische Idealkörper.“ Genau diesen Bau hat das nun entdeckte Molekül, in dem ein Molybdänatom ein Dutzend Zinkatome festhält. Andere Metallatome, darunter Eisen, Nickel und Platin lassen sich genauso „molekular verzinken“, ja sogar vergolden, wie die Forscher herausgefunden haben.

Molekulare Metallurgie

Der entdeckte Ikosaeder (Mo(ZnR)12) ist dem tetraedrischen Methan (CH4) eng verwandt: Die an das zentrale Molybdän-Atom gebundenen ZnR-Einheiten verhalten sich dem H-Atom im Methan analog. Die quantentheoretische Analyse von Prof. Dr. Gernot Frenking (Marburg) bestätigt, dass die radialen Bindungen zwischen Molybdän und Zink stark sind, wohingegen die peripheren Zink-Atome einander kaum binden. Daher kann das Zink gegen andere Metalle ausgetauscht werden, sogar gegen Gold. Das entspricht der Eigenschaft von Metallen Legierungen zu bilden. Für die Modellierung dieses Phänomens auf molekularer Ebene wurden jetzt leistungsfähige chemische Synthesemethoden gefunden. Die neuen Moleküle tragen zum besseren Verständnis der chemischen Bindungsverhältnisse zwischen Metallatomen bei und sind auch als Vorstufen für Katalysatoren interessant (SFB 558, Projekt B10; http://www.sfb558.de/).

Titelaufnahme

Thomas Cadenbach, Timo Bollermann, Christian Gemel, Israel Fernandez, Moritz von Hopffgarten, Gernot Frenking, Roland A. Fischer: Molekulare Ausschnitte von Mo/Zn-Hume-Rothery-Phasen: Synthese und Struktur von [{Mo(CO)4}4(Zn)6( -ZnCp*)4] / Zwölf Einelektronenliganden koordinieren an ein Metallzentrum: Struktur und Bindung von [Mo(ZnCH3)9(ZnCp*)3](Angew. Chem. 47/2008), DOI: 10.1002/ange.200890287, http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/121501704/HTMLSTART

Chemical & Engineering News 5.11.2008, http://pubs.acs.org/cen/news/86/i45/8645notw7.html

Weitere Informationen

Prof. Dr. Roland A. Fischer, Lehrstuhl für Anorganische Chemie II, Fakultät für Chemie und Biochemie, Ruhr Universität Bochum, Tel.: 0234/32-24174, roland.fischer@rub.de

Prof. Dr. Gernot Frenking, Theoretische Chemie, Universität Marburg, Tel.: 06421/28-25563, frenking@staff.uni-marburg.de

Redaktion: Meike Drießen