Superatome: Imitatoren der Elemente

Man mag es kaum glauben, dass im 21. Jahrhundert wieder Ansätze aus der Alchemie in der Wissenschaft Einzug halten. Drei Forscher der Staatsuniversität Pennsylvania haben vor kurzem gezeigt, dass die elektrischen Signaturen von gewählten Kombinationen aus Atomen die Signaturen bestimmter Elemente aufweisen.

„Diese Entdeckungen könnten zur Entwicklung von weitaus kostengünstigeren Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen, wie zum Beispiel neue Energiequellen, Methoden zur Beseitigung von Müll und zur Herstellung von kostengünstigen Reaktionsbeschleunigern für die chemische Industrie, von denen besonders Industriestaaten abhängig sind, führen“, berichten der leitende Forscher A. Welford Castleman Jr., Ehrenvorsitzender des Eberly College und Evan Pugh, Professor der chemischen und physikalischen Fakultät, in einer Presseinformation.

Die Forscher demonstrierten, dass die bis heute identifizierten Atome, die imitiert werden konnten, anhand des Periodensystems der Elemente vorhergesagt werden konnten. Das Team verwendete eine fortgeschrittene Experimentiertechnik und Theorie, um diese überraschenden Entdeckungen berechenbar zu machen.

„Wir bekommen eine völlig neue Perspektive vom Periodensystem“, sagt Castleman.

Die Ergebnisse des Teams wurden am 29. Dezember online von der Akademie der Wissenschaften veröffentlicht.

Castleman und sein Team benutzten eine Technik, die als photoelektronische bildgebende Spektroskopie bekannt ist, um die Ähnlichkeiten zwischen Titanmonoxid und Nickel, Zirkonmonoxid und Palladium sowie Wolframcarbid und Platin zu untersuchen.

„Photoelektronenspektroskopie misst die Energie, die benötigt wird, um Elektronen -mit unterschiedlicher Energie und unterschiedlichen Aufenthaltsbereichen – von Atomen oder Molekülen zu trennen, während gleichzeitig eine Momentaufnahme des Ereignisses der Elektronenabtrennung mit einer Digitalkamera geschossen wird“, sagt Castleman.

„Diese Methode erlaubt uns, die Bindungsenergie der Elektronen zu bestimmen und gleichzeitig die Natur der Orbitale – Bereiche, in denen sich Elektronen mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit aufhalten, bevor sie abgelöst werden – zu beobachten.“

Sie entdeckten, dass die Menge der Energie, die benötigt wird, um ein Elektron von einem Titanmonoxid-Molekül zu entfernen, exakt die gleiche ist, die benötigt wird, um das Elektron von einem Nickelatom zu trennen. Das gleiche gilt für das System Zirkonmonoxid und Palladium sowie Wolframcarbid und Platin. Die exakte Menge dieser Energie ist aber ein wesentlicher Faktor für das chemische und physikalische Verhalten von Stoffen.

Deshalb entsprechen die Moleküle von Titanmonoxid, Zirkonmonoxid und Wolframcarbid Superatomen – Clustern von Atomen mit einigen Eigenschaften der Elementatome – von Nickel, Palladium und Platin.

Castleman sagt, dass solche Ähnlichkeiten zwischen Atomen und Superatomen große Mengen an Geld einsparen können.

„Zum Beispiel wird Platin in so gut wie allen in Automobilen verbauten Katalysatoren verwendet, ist aber sehr teuer“, sagt Castleman.

„Dagegen ist Wolframcarbid, das Platin imitiert, billig. Eine beachtliche Menge an Geld könnte eingespart werden, wenn die Hersteller von Katalysatoren in der Lage wären, Wolframcarbid zu verwenden. Ähnlich wird Palladium bei bestimmten Verbrennungsprozessen verwendet, wird aber von Zirkonmonoxid imitiert, das 500 Mal günstiger ist. Unsere neuen Entdeckungen sind sowohl aus wissenschaftlicher als auch aus praktischer Sicht aufregend.“

Castleman sagt, er wüsste nicht, ob sich dieses Muster durch das ganze Periodensystem hindurchziehen würde.

In der Zukunft ist geplant, die Forschung einen Schritt weiterzubringen, um zu untersuchen, ob die aus Superatomen bestehenden Stoffe sich chemisch ähnlich verhalten wie ihre aus reinen Elementen bestehenden Partner.

Originalartikel auf Englisch: Superatoms: Mimicry of Elements

Bild: Castleman lab/Penn State University