Un aggregato atomico , spesso indicato con il termine inglese cluster , è un insieme di atomi legati abbastanza strettamente da avere proprietà specifiche e di dimensioni intermedie tra una molecola e un solido massiccio.
Questa definizione molto ampia copre due realtà significativamente diverse:
In chimica esistono diversi tipi di aggregati: carbonio e boro possono quindi costituire aggregati rispettivamente come fullereni e borani , e anche i metalli di transizione formano aggregati particolarmente stabili.
Il termine cluster è stato introdotto all'inizio degli anni '60 dal chimico americano Frank Albert Cotton per designare composti aventi legami metallo-metallo . Più specificamente, questa definizione si riferisce a composti contenenti un gruppo di almeno due atomi di metallo legati da almeno un vero legame metallo-metallo. Da allora questo concetto è stato esteso a tutte le strutture di almeno mezza dozzina di atomi (a volte centinaia) la cui consistenza è fornita principalmente da connessioni non strettamente covalenti .
Gli aggregati atomici stabilizzati dai ligandi si distinguono dagli aggregati “nudi” (senza ligando): i principali ligandi che si incontrano in queste strutture sono monossido di carbonio , alogenuri , isonitrili , alcheni e idruri .
All'inizio degli anni '70 , Jean Farges e il suo team dell'Università di Orsay furono uno dei primi a dimostrare, mediante diffrazione elettronica , una differenza strutturale tra aggregati di argon e cristalli di argon di dimensioni macroscopiche.
I cluster di carbonili di metallo sintetico sono stati studiati come catalizzatori in molte reazioni industriali, in particolare quelle che utilizzano monossido di carbonio , ma ancora nessuna applicazione industriale. I cluster Ru 3 (CO) 12e Ir 4 (CO) 12catalizzare la produzione di idrogeno mediante la reazione del gas con l'acqua (catalizzata anche dall'ossido di ferro (II, III) Fe 3 O 4), mentre Rh 6 (CO) 16catalizza la conversione del monossido di carbonio in idrocarburi , che ricorda il processo Fischer-Tropsch , sebbene ancora una volta i catalizzatori di ossido di ferro siano utilizzati industrialmente.
D' altra parte, i cluster naturali sono molto presenti tra i catalizzatori biologici. Le più diffuse sono quelle delle proteine ferro-zolfo , come la ferredossina , una proteina che è coinvolta in particolare come trasportatore di elettroni nella fotosintesi , o anche la nitrogenasi , un enzima che riduce l' azoto in ammoniaca utilizzando un cluster ferro - molibdeno - zolfo nel suo sito attivo ; la CO viene ossidata a CO 2a livello del cluster ferro - nichel - zolfo della CO deidrogenasi , mentre le idrogenasi utilizzano piuttosto cluster Fe 2 e FeNi.
Gli aggregati metallici sono costituiti principalmente da metalli refrattari . Quelli con orbitali grandi d formano ammassi stabilizzati dalla favorevole sovrapposizione degli orbitali dei loro elettroni di valenza . I metalli di transizione dei il quarto periodo formano così stabili cluster con debole stato di ossidazione , mentre i metalli di transizione dei seguenti periodi costituiscono alcuni leggermente superiori stati di ossidazione; questi ultimi formano la maggior parte dei carbonili dei metalli polinucleari, con stati di ossidazione moderati.
La regola di Wade può prevedere in modo abbastanza accurato la struttura e la stabilità della maggior parte dei cluster metallici.