Une poupée dans une poupée, et puis un de plus, en les enveloppant de l'extérieur – c'est ainsi que Thomas Faessler explique sa molécule. Il emballe un atome dans une cage dans un cadre atomique. Avec leurs grandes surfaces, ces structures peuvent servir de catalyseurs très efficaces. Tout comme dans le jouet en bois russe, une enveloppe de douze atomes de cuivre enferme un seul atome d'étain. Cette coque est, à son tour, enveloppé par 20 autres atomes d'étain. Le groupe de travail du professeur Faessler à l'Institut de chimie inorganique de la Technische Universitaet Muenchen (Allemagne) a été le premier à générer ces structures spatiales constituées de trois couches sous forme d'amas métalliques isolés dans des alliages de bronze.

Les images utilisées par les chercheurs pour expliquer ces composés chimiques et leurs propriétés sont particulièrement fascinantes. En laboratoire, la substance est une substance peu impressionnante, amende, poudre noir grisâtre, pourtant, les modèles de structure sont en couleur et dans diverses formes imbriquées. Ces poudres, avec leurs grandes surfaces, sont intéressants comme étape intermédiaire pour les catalyseurs qui transfèrent de l'hydrogène, par exemple. Des structures similaires en silicium pourraient être utilisées dans les cellules solaires pour capter plus efficacement la lumière du soleil.

La plupart des gens considèrent les métaux comme des matériaux uniformes avec une structure plutôt peu spectaculaire. Les composés métalliques de l'institut Faessler sont tout le contraire. Son bureau est empilé de divers modèles de cages multicolores avec des sphères jaunes représentant des atomes de cuivre et des bleues pour l'étain. L'analogie avec les sphères de carbone qui ont fait sensation en tant que Buckyballs ne peut être négligée. Ici, trop, il existe des structures géométriques constituées de triangles, pentagones et hexagones. Cependant, ils ne sont pas en carbone :des métaux plus lourds comme l'étain et le plomb peuvent également former de telles structures en cage isolées.

« Nous nous intéressons essentiellement aux structures d'alliages qui sortent de l'ordinaire, " dit Faessler. Bronze, par exemple :ce mélange de cuivre et d'étain, qui a été découvert très tôt et a donné son nom à tout un âge de l'humanité, a une structure cristalline; les atomes des deux composants sont répartis uniformément dans tout le cristal et sont densément emballés ensemble.

Les nouveaux bronzes du laboratoire Faessler sont différents. La doctorante Saskia Stegmaier a fait fondre une forme particulièrement pure de fil de cuivre et de granulat d'étain dans des conditions spéciales – à l'abri de l'air et de l'humidité dans une atmosphère d'argon. Le bronze ainsi produit était ensuite scellé dans un métal alcalin tel que le potassium dans une ampoule en tantale. Le point de fusion du tantale est de 3, 000 degrés Celsius, ce qui le rend particulièrement bien adapté comme récipient pour mettre d'autres métaux en contact les uns avec les autres.

C'est ainsi que les nouveaux clusters métalliques, imbriqués l'un dans l'autre comme la poupée russe, est venu au monde. Quand le bronze est chauffé, avec du potassium ou du sodium, à 600 à 800 degrés Celsius, les métaux alcalins agissent comme des ciseaux qui découpent la grille d'alliage puis se frayent un chemin entre les morceaux, stabilisant ainsi les amas atomiques isolés. Par eux-même, ces clusters ne peuvent pas s'organiser en denses, couches uniformément structurées pour former des cristaux. Ils sont constitués de pentagones avec 20 atomes d'étain en tout – une constellation dans laquelle les motifs répétitifs ne sont pas possibles dans des conditions normales. Mais "tricher" un peu et utiliser des atomes de potassium comme colle peut produire un cristal apparemment normal. L'année dernière, le scientifique israélien Dan Shechtman a reçu le prix Nobel de chimie pour la découverte d'un phénomène similaire - les soi-disant quasi-cristaux à symétrie quintuple.

"Nos clusters sont de petites unités. Ils sont, pour ainsi dire, des tas d'atomes qui ne sont pas connectés à leurs voisins. " explique Faessler, "ils sont bien meilleurs pour diriger les réactions chimiques que les catalyseurs classiques." Réactions d'hydratation dans lesquelles les atomes d'hydrogène s'arriment à des chaînes de molécules organiques avec des atomes d'oxygène, par exemple. dans la synthèse d'arômes artificiels, sont des exemples de tels processus. Typiquement, des métaux précieux coûteux comme le rhodium sont utilisés pour cela. Cependant, nouveaux alliages polaires avec du magnésium, le cobalt et l'étain peuvent servir le même but. "Ce dont nous avons besoin pour une réaction efficace, c'est d'un catalyseur avec une très grande surface spécifique." La méthode classique pour y parvenir consiste à mélanger des solutions de deux sels métalliques pour précipiter des nanoparticules extrêmement petites. « Cela se traduit par un spectre complet de tailles de particules, " explique Faessler. Avec les clusters métalliques, nous pouvons adapter le catalyseur à nos besoins, comme c'était."

Cependant, Les réacteurs de Stegmaier et Faessler contenaient plus de surprises. En dehors des grappes, les scientifiques ont remarqué un matériau semblable à des fibres – comme de fines aiguilles – dont les extrémités pouvaient être légèrement pliées. "On se doutait, " dit Stegmaier, "cela pourrait s'avérer excitant." Entre-temps, le rendement des fibres a été amélioré en utilisant du sodium comme ciseaux pour découper le bronze. Cette fois, le résultat n'était pas des sphères, mais des tiges multicouches. Au milieu se trouve une chaîne d'atomes d'étain, entouré d'une couche d'atomes de cuivre, et autour de cela encore un autre tube d'atomes d'étain. Tout comme les molécules creuses de Matryoshka rappellent les Buckyballs, les nouvelles fibres avec leurs tubes s'apparentent à des nanotubes de carbone. De manière analogue, de telles fibres pourraient un jour être utilisées comme fils moléculaires aux propriétés électriques diverses.