Erforschung der Strukturen xenonhaltiger Kristallite

Edelgase gelten als reaktionsträge, inerte Elemente, doch vor über 60 Jahren demonstrierte Neil Bartlett erstmals die Bindung von Xenon. Er schuf XePtF6, einen orange-gelben Feststoff. Da es schwierig ist, ausreichend große Kristalle zu züchten, die Edelgase enthalten, bleiben einige ihrer Strukturen – und damit Funktionen – schwer fassbar. Nun ist es Forschern gelungen, winzige Kristallite von Edelgasverbindungen zu untersuchen. Sie berichten über Strukturen mehrerer Xenonverbindungen in ACS Zentrale Wissenschaft.

Seit Bartletts Entdeckung, die mit einem International Historic Chemical Landmark gewürdigt wird, wurden Hunderte von Edelgasverbindungen synthetisiert und einige Kristallstrukturen durch Röntgenbeugung an Einkristallen charakterisiert.

Kristalle, die Edelgase enthalten, reagieren jedoch normalerweise empfindlich auf Feuchtigkeit in der Luft. Diese chemische Eigenschaft macht sie hochreaktiv und schwierig zu handhaben. Um Kristalle zu züchten, die groß genug für eine Röntgenbeugungsanalyse sind, sind spezielle Techniken und Geräte erforderlich. Daher sind die detaillierten Strukturen dieser ersten Xenonverbindung und mehrerer anderer Edelgasverbindungen den Forschern entgangen.

Kürzlich wurden mit einer anderen Technik – der 3D-Elektronenbeugung – die Strukturen kleiner Nanokristalle enthüllt. Diese Kristallite sind in der Luft stabil, aber die Technik wurde bisher nicht in großem Umfang auf luftempfindliche Verbindungen angewendet. Daher wollten Lukáš Palatinus, Matic Lozinšek und Kollegen die 3D-Elektronenbeugung an Kristalliten xenonhaltiger Verbindungen testen.

Die Forscher synthetisierten drei Xenondifluorid-Mangantetrafluorid-Verbindungen und erhielten einzelne rote Kristalle und rosa kristalline Pulver. Die Proben wurden stabil gehalten, indem zunächst ein Behälter mit flüssigem Stickstoff gekühlt wurde, die Probe hineingegeben wurde und der gefüllte Behälter dann während des Transfers in ein Transmissionselektronenmikroskop mit mehreren Schutzschichten überzogen wurde.

Das Team maß die Bindungslängen und -winkel von Xenon-Fluorid (Xe–F) und Mangan-Fluorid (Mn–F) für nanometergroße Kristallite im rosafarbenen Kristallpulver mithilfe von 3D-Elektronenbeugung. Anschließend wurden die Strukturen mit den Ergebnissen verglichen, die das Team mit Einkristall-Röntgenbeugung an den größeren, mikrometergroßen weinroten Kristallen erzielte. Laut den Forschern stimmten die beiden Methoden trotz kleiner Unterschiede gut überein, und die Ergebnisse zeigten, dass die Strukturen wie folgt waren:

Als Ergebnis dieser erfolgreichen Demonstration der 3D-Elektronenbeugung an Xenonverbindungen sagen die Forscher, dass die Technik verwendet werden könnte, um die Strukturen von XePtF6 und anderen anspruchsvollen Edelgasverbindungen zu entdecken, deren Charakterisierung sich jahrzehntelang entzogen hat, sowie anderer luftempfindlicher Substanzen.