Dehors, un amas de 55 atomes de cuivre et d'aluminium ressemble à un cristal, mais chimiquement, il a les propriétés d'un atome. Le superatome hétérométallique, que les chimistes de l'Université technique de Munich (TUM) ont maintenant créé, fournit les conditions préalables au développement de nouveaux, catalyseurs plus économiques.

La chimie peut coûter cher. Par exemple, le platine est utilisé pour nettoyer les gaz d'échappement. Ce métal précieux agit comme un catalyseur qui accélère les réactions chimiques. Sans catalyseurs, il ne serait pas possible de réaliser un grand nombre de procédés dans l'industrie chimique.

"De nombreux groupes de chercheurs expérimentent de nouveaux composés de matériaux fabriqués à partir de métaux de base à moindre coût tels que le fer, cuivre ou aluminium. Cependant, jusque là, personne n'a pu prédire si, comment, et pourquoi ces catalyseurs réagissent, " explique Roland Fischer, professeur de chimie inorganique et métal-organique à la TUM. "Notre objectif était de combler ce fossé et de créer la base pour comprendre une nouvelle génération de catalyseurs."

L'approche ascendante donne des résultats

Avec son équipe, le chimiste a maintenant découvert un secret de composés de métaux de base. "Ce qui était nouveau dans notre approche, c'est que nous n'avons pas examiné les matériaux existants, mais à la place est allé de bas en haut et a construit des composés faits d'atomes individuels de cuivre et d'aluminium, " explique Fischer.

L'association de deux métaux à l'échelle atomique demande beaucoup de savoir-faire et de finesse :Au sein d'une atmosphère protectrice d'argon, les chimistes ont combiné les atomes métalliques liés à des composés organiques dans un tube à essai, auquel ils ont ajouté un solvant.

"Naturellement, nous espérions que les atomes de cuivre et d'aluminium se sépareraient des composés organiques et formeraient un amas ensemble. Mais s'ils le feraient réellement et quel serait le résultat n'était pas du tout clair, " dit Fischer.

Les chimistes ont été extrêmement ravis de découvrir que des particules noir rougeâtre d'un diamètre allant jusqu'à un millimètre s'étaient formées au fond du tube à essai. Les images radiographiques ont révélé une structure extrêmement complexe. Dans chaque cas, 55 atomes de cuivre et d'aluminium ont été disposés de telle sorte qu'ils forment un cristal dont la surface se compose de 20 triangles équilatéraux.

Les cristallographes appellent de telles formes des icosaèdres Des expériences supplémentaires ont montré que chimiquement, les cristaux réagissent comme un atome de cuivre individuel et sont également paramagnétiques, ce qui signifie qu'ils sont attirés par un champ magnétique.

Une explication des propriétés extraordinaires des amas métalliques a été fournie par le professeur Jean-Yves Saillard de l'université française de Rennes :Selon lui, 43 et 12 atomes d'aluminium s'organisent en un "superatome" dans lequel les métaux forment une couche d'électrons partagée qui ressemble à celle d'un seul atome métallique.

D'où, l'amas a les propriétés chimiques d'un atome. Situés sur la couche la plus externe se trouvent trois électrons de valence dont les spins s'alignent dans un champ magnétique, d'où le paramagnétisme observé.

Base de connaissances pour les nouveaux catalyseurs

Le superatome hétérométallique des chercheurs de Munich est le plus gros jamais fabriqué en laboratoire. « Qu'il s'est formé spontanément, c'est-à-dire sans apport d'énergie, hors d'une solution est un résultat extrêmement remarquable, " souligne Fischer. " Il montre que l'arrangement de 55 atomes constitue un îlot de stabilité et détermine donc la direction dans laquelle se déroule la réaction chimique. "

Les chercheurs ont maintenant l'intention d'utiliser les résultats du projet de recherche pour développer des matériaux catalytiques à grain fin et donc très efficaces. « On est encore loin de pouvoir l'utiliser dans des applications, " souligne Fischer. " Mais sur la base de ce que nous avons maintenant réalisé, nous pouvons vérifier l'adéquation des clusters cuivre-aluminium pour les processus catalytiques et également créer des clusters constitués d'autres métaux prometteurs."