Nanotecnologia

Superátomo metálico permitirá entender os catalisadores

Superátomo metálico permitirá entender os catalisadores
Entendendo os catalisadores poderá ser possível substituir os caríssimos ródio e platina por metais mais baratos. [Imagem: Christian Gemel/TUM]

Compreender os catalisadores

Olhando de fora, este aglomerado formado por 55 átomos de cobre e alumínio parece um cristal, mas quimicamente ele tem as propriedades de um único átomo.

O superátomo heterometálico representa a realização de um sonho longamente acalentado pelos químicos porque apresenta os pré-requisitos para o desenvolvimento de novos catalisadores de baixo custo.

O prêmio esperado é resolver um dos maiores problemas da indústria química: Os catalisadores, essenciais para um grande número de processos e reações, da indústria petrolífera à indústria farmacêutica, são caros - lembre-se da platina e do ródio, por exemplo.

"Muitos grupos de pesquisadores estão experimentando novos compostos de materiais feitos de metais básicos de baixo custo, como ferro, cobre ou alumínio [para substituir os atuais catalisadores]. No entanto, até agora ninguém foi capaz de prever se, como e por que esses catalisadores reagem. Nosso objetivo era preencher esta lacuna e criar a base para a compreensão de uma nova geração de catalisadores," explicou o professor Roland Fischer, da Universidade Técnica de Munique.

Superátomo heterometálico

A novidade é que o superátomo permite ir além do estudo dos efeitos catalíticos dos elementos conhecidos, criando novos compostos químicos de baixo para cima por meio da montagem de átomos individuais.

Combinar dois metais diferentes em nível atômico exigiu um bocado de conhecimento de química e um pouco de trabalho da própria natureza. A primeira parte foi providenciada pela equipe, que, dentro de uma atmosfera protetora de argônio, combinou os átomos de cobre e alumínio com compostos orgânicos, adicionando a seguir um solvente.

"Naturalmente, esperávamos que os átomos de cobre e alumínio se separassem dos compostos orgânicos e formassem um aglomerado. Mas se eles realmente fariam isso e qual seria o resultado era algo totalmente incerto," lembra Fischer.

O que emergiu da reação foi uma estrutura altamente complexa, na qual 55 átomos de cobre e alumínio se dispõem na estrutura de um cristal cuja superfície consiste de 20 triângulos equiláteros (icosaedros). Os metais formam uma camada de elétrons compartilhada, o que os faz se comportarem como um superátomo.

"Isso mostra que o arranjo de 55 átomos constitui uma ilha de estabilidade e, portanto, determina a direção em que a reação química ocorre," explicou Fischer.

Participação de brasileiros

Experimentos mostraram que, quimicamente, os cristais reagem como um átomo de cobre individual e também são paramagnéticos, o que significa que eles são atraídos por um campo magnético. Em nível macroscópico, a substância forma um pó vermelho-escuro.

Os pesquisadores pretendem a seguir usar os resultados para desenvolver materiais catalisadores na forma de pós finos e, portanto, de alta eficácia, devido à grande área superficial.

Os professores Augusto César da Silva e Juarez Lopes da Silva, do Instituto de Química da USP em São Carlos, participaram da síntese do superátomo.

Bibliografia:

The Mackay-Type Cluster [Cu43Al12](Cp*)12: Open-Shell 67-Electron Superatom with Emerging Metal-Like Electronic Structure
Jana Webing, Chelladurai Ganesamoorthy, Samia Kahlal, Rémi Marchal, Christian Gemel, Olivier Cador, Augusto C. H. da Silva, Juarez Lopes Ferreira da Silva, Jean-Yves Saillard, Roland A. Fischer
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.201806039




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