Synthese einer Siliziumstruktur in 2D

In seiner natürlichen Form verbindet sich der kristalline Festkörper Silizium mit vier anderen Elementen und schafft somit eine 3D-Struktur namens Tetraeder. Diese Siliziumverbindungen werden als Bausteine der Erdkruste erachtet. Diese Kruste besteht aus verschiedenen Gesteinsarten, wie Granit, Basalt, Schiefer und Sandstein, von denen die meisten aus Mineralien bestehen, die Verbindungen mit Silizium – dem zweithäufigsten Element in der Kruste nach Sauerstoff – sind.

Bisher galt die Synthetisierung und Charakterisierung von 2D-Äquivalenten eines Silizium-Tetraeders als unerreichbar. Jetzt haben es Forschende mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts pCx4All geschafft, einen solchen kristallinen Komplex zu erzeugen. Dieser Erfolg wird den Weg für neue Anwendungen von Silizium in der Katalyse und Materialforschung im Bereich der Molekularchemie ebnen.Silizium ist ein Halbmetall und eines der sechs chemischen Elemente der Gruppe 14, der Kohlenstoffgruppe des Periodensystems. Wie Kohlenstoff verbindet Silizium sich mit vier Elementen zu einem Tetraeder, einem Festkörper mit vier dreieckigen Seiten. Aus geometrischer Sicht wäre das 2D-Äquivalent eines Tetraeders ein Quadrat. Dieses Tetraeder ist jedoch so stabil, dass keine weiteren Strukturen von natürlichem Silizium mit vier Verbindungen, auch Silizium(IV), bekannt sind. In einer Pressemitteilung auf „ScienceDaily“ meinte Dr. Lutz Greb von der Universität Heidelberg in Deutschland, dem Projektträger von pCx4All, dass nicht einmal 40 Jahre intensiver Forschung ausreichten, um eine ebene viereckige Struktur im Bereich der Silizium(IV)-Chemie zu erzeugen.

Dr. Grebs Team hat es erstmals geschafft, eine ebene viereckige Silizium(IV)-Art zu synthetisieren und vollständig zu charakterisieren. Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Chem“ veröffentlicht.

Das Team erzeugte einen Silizium-Monokristall – einen einzelnen Kristallfestkörper, dessen Kristallgitter durchgehend und nicht unterbrochen ist – und bestrahlten diesen mit fokussierten Röntgenstrahlen. Als sie auf die Atome des Monokristalls stießen, wurden die Röntgenstrahlen gebeugt, was zu einem unverwechselbaren Muster führte, von dem die Forschenden die Position der Atomkerne ableiten konnten. Das ermöglichte den Nachweis der Existenz von Molekülen mit ebenem viereckigem Silizium(IV). Weitere Analysen führten zu unerwarteten physikalischen und chemischen Eigenschaften in der Struktur, wie Farbe in einer natürlich farblosen Substanz.

„Diese Konfiguration aus den von uns gewählten Bausteinen zu synthetisieren, ist vergleichsweise einfach, wenn die entscheidenden Bedingungen dafür erst einmal verstanden sind“, meint der Hauptautor der Studie, Dr. Fabian Ebner von der Universität Heidelberg, in der Pressemitteilung. Doch die Tatsache, dass das ebene viereckige Silizium(IV)-Molekül eine stabile, isolierbare Verbindung ist, war Berichten zufolge eine überraschende Entdeckung. „Aufgrund der hohen Reaktivität ergeben sich viele denkbare Zersetzungswege. Dennoch haben wir immer daran geglaubt, dass es möglich ist, diese Verbindung zu isolieren“, so Dr. Greb abschließend. Das Projekt pCx4All (Calix[4]pyrrole for p-block elements: anti-van’t Hoff-Le Bel configuration and ligand-element cooperativity revive the standard oxidation states.) endet im Oktober 2025.

Weitere Informationen:

Projekt pCx4All