Manfred Kappes
Manfred Kappes
„Metall-Superatome: Einblicke aus der hybriden
Massenspektrometrie"
Sitzung der Mathematisch-naturwissenschaftlichen Klasse am 24. November
2023
Wie die Eigenschaften eines granulären Materials von seiner Teilchengröße abhän-
gen, beschäftigt die Forschung schon lange. Was passiert zum Beispiel, wenn man
ein makroskopisches Stück Metall in immer kleinere Teile zerlegt? Letztendlich
wird man einen Haufen mikroskopischer Teilchen erhalten oder weiter gedacht
sogar eine Ansammlung einzelner Atome. Unterwegs (noch vor der vollständi-
gen Atomisierung) hat man es mit den sogenannten Metallclustern zu tun, also
mit Molekülen, die aus einer finiten, bekannten Anzahl von Atomen der gleichen
Atomsorte bestehen. Die Eigenschaften solcher Metallcluster sind größenabhän-
gig. Einerseits weichen sie signifikant von denen freier Einzelatome ab. Anderer-
seits entsprechen sie auch nicht denen der jeweiligen metallischen Festkörper.
Manchmal sind die Unterschiede sogar gewaltig.
In meinem Beitrag geht es um die Bestimmung und Deutung der größen-
abhängigen Eigenschaften „atomar-präziser" homonuklearer Metallcluster. Der
Einfachheit halber werde ich mich nur mit Clustern der s'-Elektronen-Elemente
(Alkali- und Münzmetalle) beschäftigen - also mit Clustern bestehend nur aus
Atomsorten, die jeweils ein einfach besetztes äußeres s-Valenzorbital besitzen. Wei-
terhin schauen wir uns (fast) nur s1- Cluster mit bis zu 100 gleichen Metallato-
men an. Ich werde dabei unterscheiden zwischen: (a) „Nackten" Metallclustern,
die wegen ihrer extremen Reaktivität (auch untereinander) in stark verdünnten
Molekular- bzw. lonenstrahlen untersucht werden müssen, und (b) „Liganden-
stabilisierten" Metallclustern, die an ihren Oberflächen mit (meist) organischen
Liganden koordinativ abgesättigt sind und deswegen weit weniger reaktiv sind als
nackte, ligandfreie Cluster mit der gleichen Anzahl Metallatome.
Die Eigenschaften solcher einfacher nackter Metallcluster werden schon seit
über 45 Jahren experimentell untersucht. Der Autor war an einer der ersten Studi-
en zu Größenverteilungen elektrisch neutraler Natriumcluster im Molekularstrahl
beteiligt [1]. Deren relative Häufigkeiten als Funktion ihrer Teilchengröße zeigten
Diskontinuitäten bei bestimmten „magischen" Atomzahlen - Na„ Na8, Na18, N%,
Na34, Na4(), Na58, etc... Analoge Messungen an einfach geladenen Natriumclustern
wiesen die gleichen Zahlenfolgen auf - um eins nach oben oder unten versetzt (je
nach Kation, Nax+, oder Anion, Nax~). Das gleiche Verhalten wurde nicht nur für
Cluster anderer Alkalimetalle, sondern auch bei allen Münzmetallen beobachtet.
Dabei wurden die Cluster immer so erzeugt, dass deren Häufigkeitsverteilungen
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Manfred Kappes
„Metall-Superatome: Einblicke aus der hybriden
Massenspektrometrie"
Sitzung der Mathematisch-naturwissenschaftlichen Klasse am 24. November
2023
Wie die Eigenschaften eines granulären Materials von seiner Teilchengröße abhän-
gen, beschäftigt die Forschung schon lange. Was passiert zum Beispiel, wenn man
ein makroskopisches Stück Metall in immer kleinere Teile zerlegt? Letztendlich
wird man einen Haufen mikroskopischer Teilchen erhalten oder weiter gedacht
sogar eine Ansammlung einzelner Atome. Unterwegs (noch vor der vollständi-
gen Atomisierung) hat man es mit den sogenannten Metallclustern zu tun, also
mit Molekülen, die aus einer finiten, bekannten Anzahl von Atomen der gleichen
Atomsorte bestehen. Die Eigenschaften solcher Metallcluster sind größenabhän-
gig. Einerseits weichen sie signifikant von denen freier Einzelatome ab. Anderer-
seits entsprechen sie auch nicht denen der jeweiligen metallischen Festkörper.
Manchmal sind die Unterschiede sogar gewaltig.
In meinem Beitrag geht es um die Bestimmung und Deutung der größen-
abhängigen Eigenschaften „atomar-präziser" homonuklearer Metallcluster. Der
Einfachheit halber werde ich mich nur mit Clustern der s'-Elektronen-Elemente
(Alkali- und Münzmetalle) beschäftigen - also mit Clustern bestehend nur aus
Atomsorten, die jeweils ein einfach besetztes äußeres s-Valenzorbital besitzen. Wei-
terhin schauen wir uns (fast) nur s1- Cluster mit bis zu 100 gleichen Metallato-
men an. Ich werde dabei unterscheiden zwischen: (a) „Nackten" Metallclustern,
die wegen ihrer extremen Reaktivität (auch untereinander) in stark verdünnten
Molekular- bzw. lonenstrahlen untersucht werden müssen, und (b) „Liganden-
stabilisierten" Metallclustern, die an ihren Oberflächen mit (meist) organischen
Liganden koordinativ abgesättigt sind und deswegen weit weniger reaktiv sind als
nackte, ligandfreie Cluster mit der gleichen Anzahl Metallatome.
Die Eigenschaften solcher einfacher nackter Metallcluster werden schon seit
über 45 Jahren experimentell untersucht. Der Autor war an einer der ersten Studi-
en zu Größenverteilungen elektrisch neutraler Natriumcluster im Molekularstrahl
beteiligt [1]. Deren relative Häufigkeiten als Funktion ihrer Teilchengröße zeigten
Diskontinuitäten bei bestimmten „magischen" Atomzahlen - Na„ Na8, Na18, N%,
Na34, Na4(), Na58, etc... Analoge Messungen an einfach geladenen Natriumclustern
wiesen die gleichen Zahlenfolgen auf - um eins nach oben oder unten versetzt (je
nach Kation, Nax+, oder Anion, Nax~). Das gleiche Verhalten wurde nicht nur für
Cluster anderer Alkalimetalle, sondern auch bei allen Münzmetallen beobachtet.
Dabei wurden die Cluster immer so erzeugt, dass deren Häufigkeitsverteilungen
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