En el exterior, un grupo de 55 átomos de cobre y aluminio parece un cristal, pero químicamente, tiene las propiedades de un átomo. El superátomo heterometálico, que ahora han creado los químicos de la Universidad Técnica de Munich (TUM), proporciona los requisitos previos para desarrollar nuevos catalizadores más rentables.

La química puede resultar cara. Por ejemplo, el platino se utiliza para limpiar los gases de escape. Este metal precioso actúa como catalizador que acelera las reacciones químicas. Sin catalizadores, no sería posible realizar un gran número de procesos en la industria química.

"Muchos grupos de investigadores están experimentando con nuevos materiales compuestos hechos de metales básicos de menor costo como el hierro, cobre o aluminio. Sin embargo, hasta aquí, nadie ha podido predecir si, cómo, y por qué reaccionan estos catalizadores, "explica Roland Fischer, profesor de química inorgánica y metalorgánica en el TUM. "Nuestro objetivo era cerrar esta brecha y sentar las bases para comprender una nueva generación de catalizadores".

El enfoque de abajo hacia arriba produce resultados

Junto con su equipo, el químico ha descubierto ahora un secreto de compuestos de metales básicos. "Lo nuevo de nuestro enfoque fue que no examinamos los materiales existentes, sino que fue de abajo hacia arriba y construyó compuestos hechos de átomos individuales de cobre y aluminio, "explica Fischer.

La combinación de dos metales a nivel atómico requiere una cantidad no pequeña de conocimientos y delicadeza:dentro de una atmósfera protectora de argón, los químicos combinaron los átomos de metal que estaban unidos a compuestos orgánicos en un tubo de ensayo, a lo que agregaron un solvente.

"Naturalmente, esperábamos que los átomos de cobre y aluminio se separaran de los compuestos orgánicos y formaran un grupo. Pero si realmente harían eso y cuál sería el resultado no estaba del todo claro, "dice Fischer.

Los químicos estaban extremadamente encantados de descubrir que se habían formado partículas de color negro rojizo con un diámetro de hasta un milímetro en el fondo del tubo de ensayo. Las imágenes de rayos X revelaron una estructura extremadamente compleja. En cada caso, Se dispusieron 55 átomos de cobre y aluminio de modo que formaran un cristal cuya superficie constaba de 20 triángulos equiláteros.

Los cristalógrafos llaman a estas formas icosaedros Experimentos adicionales demostraron que químicamente, los cristales reaccionan como un átomo de cobre individual y también son paramagnéticos, lo que significa que son atraídos por un campo magnético.

El profesor Jean-Yves Saillard de la universidad francesa de Rennes proporcionó una explicación de las propiedades extraordinarias de los grupos de metales:Según él, 43 y 12 átomos de aluminio se organizan en un "superátomo" en el que los metales forman una capa de electrones compartida que se asemeja a la de un solo átomo de metal.

Por eso, el grupo tiene las propiedades químicas de un átomo. En la capa más externa se encuentran tres electrones de valencia cuyos espines se alinean en un campo magnético, de ahí el paramagnetismo observado.

Base de conocimientos para nuevos catalizadores

El superátomo heterometálico de los investigadores de Múnich es el más grande jamás fabricado en el laboratorio. "Que se formó espontáneamente, es decir, sin el aporte de energía, de una solución es un resultado extremadamente notable, "enfatiza Fischer." Muestra que la disposición de 55 átomos constituye una isla de estabilidad y, por lo tanto, determina la dirección en la que tiene lugar la reacción química ".

Los investigadores ahora tienen la intención de utilizar los hallazgos del proyecto de investigación para desarrollar materiales catalizadores de grano fino y, por lo tanto, altamente efectivos. "Todavía estamos muy lejos de poder utilizarlo en aplicaciones, "enfatiza Fischer." Pero basándonos en lo que hemos logrado ahora, podemos verificar la idoneidad de los grupos de cobre y aluminio para los procesos catalíticos y también crear grupos hechos de otros metales prometedores ".