Wanneer vormen platina-atomen een metaal?

Hoe klein kan een kluitje metaalatomen zijn opdat het nog de eigenschappen heeft van het bulkmetaal? Dit is een van de vragen die centraal staan bij het onderzoek aan clusters: kluitjes materie die uit zo'n 10 tot 10.000 atomen bestaan.

Onderzoek op dit gebied is niet alleen van belang omdat het laat zien hoe bepaalde eigenschappen veranderen wanneer de grootte van een cluster verandert, maar ook omdat clusters interessante optische, elektronische en magnetische eigenschappen hebben. Onderzoekers van het Kamerlingh Onnes Laboratorium in Leiden en van de universiteit van Essen hebben nu het metaalgedrag van clusters platina-atomen bestudeerd.

De onderzoekers gingen uit van een metaalclusterverbinding, dat wil zeggen een verbinding waarin een metaalkern (de cluster) is omringd door een schil van andere atomen of moleculen. Deze liganden zijn chemisch gebonden aan de metaalatomen die zich aan het oppervlak van de cluster bevinden. Aangezien het hier om een chemische verbinding gaat, zijn alle moleculen gelijk en dus ook alle metaalclusters. Maakt men metaalclusters langs fysische weg, door het condenseren van metaaldamp, dan onstaan clusters van verschillende grootte.

Metaalclusters blijken graag in bepaalde aantallen atomen voor te komen: 13, 55, 147, 309, 561 enzovoort. Deze magische getallen hangen samen met de bolstapeling van opeenvolgende vlakken van atomen. De onderzoekers bestudeerden een verbinding met clusters van 309 platina-atomen. Deze verbinding werd bestraald met neutronen, waardoor een deel van de atomen via een kernreactie werd omgezet in goud. De goud-atomen vervallen en zenden gammastraling uit. Dit maakt het mogelijk om de clusters te bestuderen via een techniek die Mössbauer-spectroscopie wordt genoemd (Nature 367, p. 716).

De Mössbauer-spectra laten zien dat de kern van de bestudeerde platinaclusters, die uit 147 atomen bestaat, zich precies als het bulkmetaal gedraagt. De laag atomen die er omheen zit heeft (mede als gevolg van de invloed van de liganden) geen metallisch karakter. Bij eerdere experimenten was, door dezelfde onderzoekers, gevonden dat bij goudclusters die uit 55 atomen bestaan het metaalgedrag van de kern afwijkt van dat van het bulkmateriaal. Deze clusters hadden een kern van 13 atomen. Dit betekent dus dat het metaalgedrag zich bij goud of platina ergens tussen de 13 en 147 atomen begint te manifesteren.

    • George Beekman