Ja, das hat vielleicht ein ganz klein bisschen sogar einen historischen Hintergrund.

Ich habe selber seit meiner Forschungstätigkeit, seit ich selber begonnen habe, selbst zu arbeiten, also während der Doktorarbeit, habe ich mich mit Cluster-Verbindungen beschäftigt. Und die lassen einen nicht mehr los. Das sind fantastische Moleküle, meistens aus mehreren, vielen hunderten Atomen zusammengesetzt, die sehr, sehr interessante Eigenschaften haben, irgendwo angesiedelt sind

zwischen molekularen Systemen und Festkörpern. Und die ganze Palette an interessanten Forschungsobjekten sozusagen mitbringen, also im Bereich einmal der Strukturen, im Bereich der optischen Eigenschaften, magnetischer Eigenschaften, thermischer Eigenschaften, alles, was sie bei Molekülen und bei Festkörpern krass verschieden finden, das kann man mit Cluster-Verbindungen irgendwo interpolieren.

Und die spezielle Forschungsrichtung, mit der wir uns beschäftigen, ist angesiedelt im Bereich der multinären Verbindungen. Wir versuchen Cluster-Verbindungen herzustellen aus mehreren Komponenten. Dabei gehen wir so vor, dass wir schwere Homologe von, wenn Sie so wollen, Silikaten oder Boraten oder auch Zürniden einsetzen,

also Teilchen, die aus zwei verschiedenen Hauptgruppenelementen bestehen, der Elementkombination 14-16, 13-16 oder 14-15. Und diese setzen wir um mit Übergangsmetallionen, um so zu Verbindungen zu kommen, in denen diese Cluster, die nachher entstehen, diese großen Komplexe, mindestens drei verschiedene Atomsorten beinhalten.

Durch diese Zusammenstellung verschiedener Atomsorten können wir dann noch ein Stückchen weitergehen. Wir interpolieren nicht nur Molekulare und Festkörpersysteme, sondern wir interpolieren auch noch verschiedene Sorten von Verbindungen. Also wir interpolieren binäre Verbindungen verschiedener Art. Zum Beispiel nehmen Sie die Elementkombination Übergangsmetall,

Element der Gruppe 14, Element der Gruppe 16. Dann hätten wir auf der einen Seite formal irgendwelche Verwandten der Übergangsmetallchalkogenide, auf der anderen Seite verwandte der Tetrelchalkogenide, also der Chalkogenide der Elemente der Gruppe 14. Und die kombinieren wir jetzt nochmal. Und Sie können sich vorstellen, das ist ein bisschen auch ein Spielchen mit der Statistik, dass man auf die Art und Weise Eigenschaften erzeugt,

die irgendwo zwischen den Eigenschaften dieser unterschiedlichen Elementgruppierungen liegen. Und das interessiert uns. Wie wirkt sich die unterschiedliche Elementzusammensetzung aus, zum Beispiel auf die optischen Eigenschaften? Wir können also Verbindungen herstellen, durch Drehen an einem einzigen Parameter, in dem wir zum Beispiel das Übergangsmetall verändern, alles andere konstant lassen,

kriegen wir Lösungen und kristalline Stoffe hin, die wir von hellgelb bis schwarz beispielsweise durch permutieren können. Und die Ursachen, die zu dieser Farbvertiefung führen beispielsweise, die sind für uns spannend. Man kann mit solchen Stoffen unter anderem beispielsweise auch technische Anwendungen

versuchen zu realisieren. Eine Fotokatalyse ist hier mein Stichwort. Wir sind jetzt momentan in dieser Richtung mehr an der Grundlagenforschung interessiert, also an dem Aufbau dieser Substanzen und an deren Eigenschaften. Vielleicht um nochmal eine Brücke zu schlagen zu Systemen, die gut bekannt sind. Hier zum Beispiel in dieser Flasche befindet sich Molekularsieb. Das sind synthetische, künstliche Zeolite.

Das sind Stoffe, die auch aus verschiedenen Bestandteilen aufgebaut sind. Hier ist Aluminium, Silizium und Sauerstoff, das was, das sich darin befindet. Solche Stoffe haben Poren und haben interessante Gasabsorption und Flüssigkeitsabsorptionseigenschaften. Und wir gehen jetzt einfach von den Kombinationen, von den Elementkombinationen weg,

nehmen andere Elemente, aber machen eine ganz ähnliche Chemie und bekommen zum Teil auch poröse Stoffe, die dann aber noch zusätzlich interessante optische oder magnetische Eigenschaften haben. Das ist ein Teil der Forschung und von da ausgehend breitet sich die Forschung aus in Richtung von Substanzen, die zum Beispiel solche, wie ich schon sagte, Cluster haben, die jetzt aber vielleicht an der Außenseite noch organisch funktionalisiert sind.

Das können wir durch bestimmte Herangehensweise an unsere Forschung realisieren und diese organischen Funktionen, die wiederum können dazu führen, dass man solche Bausteine dann in Form von Hybridnetzwerken verknüpft. Und dann kombinieren wir wieder. Wir haben dann die multinären Teilchen in der Mitte, dann haben wir eine organische Brücke, die hat ganz andere Eigenschaften.

Zum Beispiel können sie mit Molekulen aus dem organischen Bereich wechselwirken, mit Gasen oder mit Lösungsmittelmolekülen zum Beispiel. Und hier an diesem anorganischen Zentrum, so will ich es mal nennen, können dann zum Beispiel Reaktionen ablaufen. Also diese Kombination, wir sind begeistert von Kombinationen unterschiedlicher Dinge

in einem einzigen Molekül oder in einer einzigen Verbindung. Ja, was wir noch machen, neben der Synthese. Die Mitarbeiter sind meistens damit beschäftigt, die Sachen zu synthetisieren, unsere Verbindungen herzustellen und zu charakterisieren. Das haben sie auch schon gezeigt. Was wir eben nebenher noch machen, ist, dass wir Quantenchemie treiben.

Das heißt, wir berechnen unsere Strukturen, unsere Verbindungen, molekulare Verbindungen und untersuchen sie dann anhand der Ergebnisse der quantenchemischen Rechnungen. Zum Beispiel hatten wir kürzlich ein Problem, in dem wir eine Clusterverbindung hergestellt hatten, bei der im Kristall die Atome nicht immer alle genau an den positionierten Plätzen waren, die man vielleicht sich vorgestellt hätte, sondern fehlgeordnet waren.

Also es gibt viele Fälle dieser Art, dass Atome sich einfach nicht genau entscheiden können, an welchem Ort sie sitzen. Und bei Clusterverbindungen, besonders wenn man im Cluster metallische Wechselwirkungen hat, kommt sowas ganz besonders gerne vor. Hier haben wir zum Beispiel eine Verbindung hergestellt, in der befinden sich einige Zinkatome, diese sechs schwarz gezeichneten Atome.

Dann haben wir Bismuth-Atome, die sind hier blau dargestellt. Und unten in diesem Cluster, man sieht das hat so ein bisschen ein Oblatenaufbau, sphärisch in irgendeiner Form, aber flach gedrückt. Und in diesem unteren Ring, hier ist er unten dargestellt, da sieht man ihn hinten, von oben betrachtet,

da können sich die Atome nicht entscheiden, ob auf den Lagen Zinn oder Bismuth sitzt. Das heißt, wir können es nicht entscheiden, die Atome haben sich natürlich schon entschieden im Kristall. Das heißt, wir haben zwei Zinnatome und drei Bismuthatome hier in irgendeiner Form angeordnet. Und um das rauszufinden, wie es tatsächlich ist, wie es am wahrscheinlichsten sein wird, und wie dann entsprechend die Bindungsverhältnisse in solchen Verbindungen sind, braucht man quantenchemische Methoden.

Zum Beispiel, das ist eine Möglichkeit, das recht elegant herauszufinden. Und was wir dann in dem Fall berechnen, ist zum einen die Anordnung der Atome, was ist die beste Struktur, wir können das aufgrund ihrer Energie ermitteln. Das heißt, wir rechnen diese Verbindungen in verschiedenen Anordnungen und untersuchen dann oder vergleichen die Gesamtenergie, die wir rauskriegen.

Und so wie jedes System im Universum danach strebt, möglichst niedrige Gesamtenergien zu haben, haben wir eine Aussagemöglichkeit darüber, welche Verbindung die wahrscheinlichste ist. Und um dann ein bisschen was über die Bindungsverhältnisse zu erfahren, gucken wir uns noch ein bisschen mehr an. Wir berechnen in diesen Verbindungen sozusagen die Elektronenverteilungen.

Und da stellt man bei Clustern was ganz Interessantes fest. Solche Cluster verhalten sich manchmal wie große Atome. Ich kann das vielleicht mal demonstrieren. Hier haben wir also seitenweise Molekülorbitale. Das sind letztendlich die Elektronendichteverteilungen dargestellt in dieser einen Verbindung. Davon gibt es sehr viele und vielleicht ist die hier eine ganz interessante Darstellung.

Man sieht hier die Elektronenverteilung. Wenn man da von der Ferne drauf schaut, stellt man fest, dass die eigentlich aussehen wie ein großes P-Orbital. Wer schon mal ein Orbital gesehen hat, der weiß, dass diese Orbitale in der Mitte eine Knotenebene haben. Und dann gibt es meistens auch noch eines, was senkrecht dazu steht. Und die Elektronenverteilung in solchen metallischen Clustern oder metalloiden Clustern,

also metallähnlichen Clustern, die kommen zum Teil tatsächlich so zusammen, dass sie ausschauen wie große Atomorbitale. Und das ist was, was so eine Art Selbstähnlichkeit darstellt und für Cluster ganz charakteristisch ist. Und das sagt uns eben was darüber, wie die Bindungsverhältnisse sind, nämlich wie in einem ganz kleinen Ausschnitt Metall.