Metallcluster. Studienobjekte der Metallbildung

Etwa drei Viertel aller Elemente sind Metalle. Sie begegnen uns einerseits in einer fast unübersehbaren Fülle von Komplexen, in denen sie geladen oder neutral, aber überwiegend einzeln von einer geeigneten Ligandhülle umgeben vorliegen. Auf der anderen Seite kennen wir recht gut den metallischen Zustand, also jene Ansammlung von praktisch unendlich vielen Metallatomen, die im Zusammenwirken die sogenannten metallischen Eigenschaften, wie die elektrische und die Wärmeleitfähigkeit, das magnetische Verhalten, die Duktilität u.a., erzeugen. Was aber liegt dazwischen? Gibt es einen kontinuierlichen Übergang vom einfachen ein‐ oder zweikernigen Komplex zum kompakten Metall? Die ersten Schritte auf dem Weg zur Klärung dieser Frage sind gemacht! Man kennt heute vielkernige, aber noch molekulare Komplexe, die über 500 Metallatome enthalten. Wo fängt der metallische Zustand an? Wie viele Atome sind notwendig, um metallische Eigenschaften zu erzeugen? Niemand kann diese fundamentalen Fragen zur Zeit zuverlässig beantworten. Sicher wird das, was wir metallischen Zustand nennen, nicht plötzlich bei Erreichen einer bestimmten Zahl von Metallatomen auftauchen. Vielmehr wird sich diese Eigenschaft allmählich und temperaturabhängig einstellen. Trotzdem bleibt die faszinierende Frage nach der ungefähren Zahl von Atomen, die zur Erzeugung der kleinsten Metallpartikel nötig ist. Ansammlungen von einigen wenigen bis zu hunderten von Atomen bezeichnet man als Cluster, wobei es an Bemühungen, diese recht pauschale Definition zu verfeinern, nicht gefehlt hat [1]. Irgendwann sprechen wir dann von Mikrokristalliten, wenn die Partikel ohne großen Aufwand sichtbar gemacht werden können, z. B. in einem guten Lichtmikroskop oder mit Hilfe eines einfachen Elektronenmikroskops. In diesen Bereich gehören z. B. auch die Metallkolloide. Physiker und Chemiker haben sich in den vergangenen 20 Jahren viele Methoden einfallen lassen, um Metallcluster zu erzeugen. Dabei unterscheidet man zwischen den sogenannten „nackten”, d. h. ligandfreien Clustern und Clustern, die durch eine Ligandhülle geschützt sind (chemisch stabilisierte Cluster). Nackte und ligandstabilisierte Metallcluster werden jedoch nicht nur untersucht, um die für den metallischen Zustand erforderliche Zahl von Atomen zu ermitteln, sondern auch aus vielen anderen Gründen. So liefert das Studium der Clusterstrukturen Einblick in den Entstehungsprozeß von Metallkristalliten, von Metallclustern erhofft man sich neuartige Materialeigenschaften, der Chemiker erwartet Aufschlüsse über elementare Vorgänge bei der homogenen und heterogenen Katalyse. Gründe genug also, um sich weltweit mit dem Phänomen der Clusterbildung zu beschäftigen.