Как растут кластеры металлов?

Исследователи из Марбурга и Карлсруэ изучили механизм постадийного образования металлических кластеров — ансамблей из нескольких атомов металлов, соединенных ковалентными связями («Nature Communications», 2016; 7, 10480, doi: 10.1038/NCOMMS10480).

Ученые обнаружили, что оболочка кластера формируется вокруг его центрального атома, опровергнув представление о том, что центральный атом встраивается в структуру кластера на более позднем этапе его образования. Детальное знание механизма формирования кластеров позволит управлять их оптоэлектронными и магнитными свойствами.

Для направленного синтеза химических соединений необходимо знать механизм их образования. Как заявляют авторы работы Флориан Вайгенд из Технологического института Карлсруэ и Штефани Денениз Марбургского университета, чаще всего механизм образования неорганических соединений для химиков — «темный лес». Трансформация металлических кластеров протекает очень быстро, поэтому наблюдать рост этих частиц, фиксируя образование всех интермедиатов, как правило, невозможно, даже комбинируя экспериментальные методики и применяя расчетные методы. Пока кластеры получают методом проб и ошибок, но, если понять механизм их формирования, это позволило бы получать материалы с заранее заданными свойствами и более эффективно при- менять их для решения практических задач.

Немецкие ученые исследовали синтез полиядерного металлического кластера: на первой стадии образовывались различные по размеру кластеры германия и мышьяка, в центре которых располагался переходный металл, например тантал. Результаты измерения и компьютерного моделирования показали, что центральный атом переходного металла играет ключевую роль: он служит своего рода катализатором, инициирующим образование кластера и формирование связей. По словам Вайгенда и Денен, полученные результаты можно экстраполировать на достаточно большое семейство металлических кластеров.

Кроме того, теперь можно определить, как, варьируя условия реакции, получить изомеры кластеров одинакового состава. Такая возможность весьма перспективна для производства материалов с программируемыми свойствами — известно, что свойства кластеров, как и органических веществ, зависят от их строения.

Шаг за шагом к завершенной оболочке: образование металлического кластера из отдельных атомов.