Trendbericht Festkörperchemie und Materialforschung 2024

Schwerpunkte sind die Effizienz von Synthesen, deren Nachhaltigkeit oder Materialien für eine CO₂-emissionsärmere Zukunft. Neben der gesellschaftlichen Dringlichkeit, hervorgerufen durch den Klimawandel, ist dieser Umschwung dadurch motiviert, dass Drittmittel vor allem für Anwendungsforschung vergeben werden. Bei dieser lösungsorientierten Festkörperforschung verschmelzen klassische Chemie, Physik und Materialwissenschaften. Dennoch bleiben Grundlagenthemen essenziell.

Die Werkzeugkiste – Röntgenbeugung, Spektroskopie und Theorie

Methoden zu entwickeln, zu verbessern und sie für die Analyse oder Synthese zu kombinieren, gehört zu den Herzstücken der Forschung. In der Röntgenbeugung als eine der zentralen und traditionellen Analysemethoden der Festkörper- und Materialchemie gelingt dies mehrfach. So offenbart In-situ-Röntgenbeugung der Gruppe um Doert, wie sich Bi₂Rh-Nanopartikel in einem mehrstufigen Prozess in der Polyolsynthese bilden.¹⁾ Auch für Terraschke, Nyamen und Kolleg:innen ist die In-situ-Röntgenbeugung am Synchrotron essenziell: Kombiniert mit Paarverteilungsfunktions-Analyse (pair distribution function, PDF) und Lumineszenzspektroskopie untersuchen sie, wie Präkursoren, Konzentration, Temperatur und Heizprogramm die Synthese von CdS- und ZnS-Nanopartikeln beeinflussen.²⁾

Bei der Reduktion von V₂O₅ und WO₃ mit Wasserstoff verfolgen Kohlmann und Mitarbeitende über In-situ-Röntgenbeugung den Einfluss von Heiz- und Wasserstoff-durchfluss-Raten sowie entstandene Intermediate.³⁾

Bette und Lotsch nutzen In-situ-Röntgenbeugung, um die Interkalation von n-Butylamin in Ethanol in H₃Sb₃P₂O₁₄ zu analysieren. Für die Rietveldverfeinerungen wenden sie einen rekursiven Überzelle-Ansatz an, um Reflexverbreiterungen durch partielle Interkalation zu beschreiben.⁴⁾ Neben diesen Ergebnissen in der Pulverröntgenbeugung analysieren Canossa und Lotsch mit ihren Teams den diffusen Streuanteil in einem Einkristallröntgenbeugungsexperiment. Damit klären sie die Struktur dreier neuer metallorganischer Gerüststrukturen auf (metal-organic frameworks, MOFs; Abbildung 1).⁵⁾

Außer aus der Röntgenbeugung gibt es aus der Spektroskopie Spannendes zu berichten. Die Gruppe um Pöttgen nutzt Mössbauerspektroskopie, um Sn und Eu sowie deren Oxidationsstufen in neuen Verbindungen nachzuweisen.^6,7) Wie Suta und Mitarbeitende am Beispiel der Verbindung Sr[Li₂Al₂O₂N₂]:Eu²⁺ (Abbildung 2) zeigen, lassen sich lokale strukturelle Eigenschaften über Lumineszenzspektroskopie kombiniert mit der Ligandenfeldtheorie aufklären. wo dies mit Röntgenbeugung nicht gelingt.⁸⁾

Tremel und sein Team nutzen ⁷Li-Kernresonanzspektroskopie (NMR) und ¹H-NMR sowie Kreuzpolarisationsexperimente, um die neue hexagonale Wolframbronze Li_x(NH₄)_yWO₃ zu untersuchen. Die räumliche Nähe von Li⁺ zu protonierten Spezies wie NH₄⁺ lassen sich damit auflösen.⁹⁾

Die neuen Möglichkeiten in der Rechentechnik führen zu Fortschritten bei den theoretischen Methoden in der Chemie. Deringer und Mitarbeitende beschreiben roten Phosphor auf atomarer Ebene, indem sie maschinelles Lernen mit dispersionskorrigierter Dichtefunktionaltheorie (D-DFT) kombinieren.¹⁰⁾ Diese Berechnungen ermöglichen Einblicke in die chemische Bindung sowie die elektronischen Zustände des amorphen Phosphors.

Dronskowski und Mitarbeitende haben nicht nur die Existenz des ersten wasserstofffreien Melaminatsalzes WC₃N₆ vorhergesagt, sondern auch, wie es herzustellen ist sowie Struktur- und physikochemische Eigenschaften.¹¹⁾ Zwei energetisch günstige Polymorphe sollen als schichtartige, poröse Materialien kristallisieren und sich aufgrund der Bandkantenpotenziale zur photokatalytischen Wasserspaltung eignen.

Die volle Kraft analytischer Methoden entfaltet sich vor allem in ihrer Kombination. So hat Zeier mit seiner Gruppe Röntgenbeugung, Neutronenbeugung, PDF-Analyse und ¹²¹Sb-Festkörper-NMR verknüpft und damit den Unterschied zwischen der mittleren (globalen), kubischen Symmetrie und der lokalen, tetragonalen Symmetrie der Natriumionenkoordination in einem Na-Ionen-Feststoffelektrolyten aufgedeckt (Abbildung 3).¹²⁾

Aus dem Labor: Synthesemethoden

Bei den Synthesemethoden mehren sich die energieeffizienten mechanochemischen Synthesen. So ist Fe₂(MoO₄)₃ aus einer Kugelmühlensynthese unerwartet katalytisch aktiv bei der Oxidation von Ethanol zu Acetaldehyd. Wie Möllers Gruppe dabei mit mehreren Methoden zeigt, sind dafür eine amorphe Partikelhülle und Volumendefekte im kristallinen Kern entscheidend.¹³⁾

Borchardt und sein Team haben den Reaktionsmechanismus für eine mechanochemische Synthese organischer Carbonate aus anorganischen Carbonaten aufgedeckt.¹⁴⁾

Ohne Kugelmühle und dennoch energieeffizient – bei Raumtemperatur und mit Ultraschall – arbeiten Müller-Buschbaum, Gross und Mitarbeitende. In einem inversen Miniemulsionsansatz haben sie eine kontrollierte Synthese von undotierten und Eu³⁺-dotierten, kristallinen Calciummolybdat-Nanophosphoren entwickelt (Abbildung 4).¹⁵⁾ Der Miniemulsionsansatz erlaubt dabei zu steuern, wie effizient die Dotierung mit und die Photolumineszenz durch Eu³⁺ sind.

Henke und Kolleg:innen präsentieren einen neuen Ansatz für in Wasser herstellbare MOFs. Er basiert auf amphiphilen organischen Molekülen, die auf der einen Seite Carboxylatgruppen und auf der anderen unpolare Alkylketten aufweisen und über einen rigiden aromatischen Grundkörper verbunden sind.¹⁶⁾ Diese Linker ordnen sich in wässrigen Lösungen zu porösen Strukturen, welche sich reversibel zerlegen und neu zusammenbauen lassen.

Erstaunlicherweise liefern verschiedene Synthesemethoden manchmal das gleiche Produkt. So synthetisieren Beck und seine Gruppe die neuen Verbindungen (Te₇)[MF₆]₂ (M = As, Sb, Nb, Ta) auf drei Wegen: solvothermal, mikrowellengestützt und elektrochemisch.¹⁷⁾

Den Übergang von der Grundlagenforschung zur Anwendung zeigt Schoop mit ihrem Team. Sie präsentieren eine supraleitende und luftstabile Tinte mit delaminierten WS₂-Schichten.¹⁸⁾

Nilges und seine Gruppe nutzen die Phasenumwandlung von Ag₁₈Cu₃Te₁₁Cl₃ nahe Raumtemperatur, um eine Einmaterialdiode zu konstruieren. Entscheidend dabei: Das Material schaltet bei der Phasenumwandlung zwischen p- und n-Dotierung, was aus einem Ag₁₈Cu₃Te₁₁Cl₃-Kristall im Temperaturgradienten eine Diode macht (Abbildung 5).¹⁹⁾

In der Anwendung: Batteriematerialien

Den Puls der Zeit geben vor allem die Themen Elektrochemie, Leuchtstoffe oder Entsorgungsmethoden vor. Besonders die Forschung an Batterien hat im letzten Jahr Neues hervorgebracht. So haben etwa Ruck und Mitarbeitende eine neue Zn-Komplexverbindung als ausgezeichneten Elektrolyt für Zn-Batterien identifiziert.²⁰⁾

Breu und Kolleg:innen stabilisieren Li-Ionenkathodenmaterialien mit delaminierten Schichtsilikaten. Dabei wird das klassische Nickel-Cobalt-Manganoxid in nanometerdünne Schichten aus Fluorohektorit eingepackt und so gegen Umwelteinflüsse geschützt (Abbildung 6).²¹⁾

Auch bei der Synthese neuer Anodenmaterialien gibt es Fortschritte: Kickelbick und Presser nutzen mit ihren Gruppen einen mikroreaktorbasierten Prozess, mit dem sie Vorläuferverbindungen für Mo(C,N,O)_x herstellen. Dies könnte potenziell als Anodenmaterial für Li-Batterien dienen.²²⁾

Aufgrund der hohen theoretischen Kapazität der Mg-Anode (qV = 3833 mA · cm^–3) gelten Magnesium-Batterien als eine künftige Lösung zur Energiespeicherung. Erstmals haben Janek und Mitarbeitende den Mg²⁺-Transport in MgSc₂Se₄ auf zwei Wegen nachgewiesen: durch elektrochemische Abscheidung elementaren Magnesiums und durch reversible Magnesiumgalvanisierung und -entschichtung.²³⁾ Die beobachtete niedrige Migrationsbarriere (386 ± 24 meV) führt zu einer der besten Leistungen bei Raumtemperatur unter den bekannten anorganischen Magnesiumfestelektrolyten.

Schneemann und sein Team verbessern die Benetzbarkeit des Separators in einer klassischen Li-Ionen-Batterie. Dazu nutzen sie kovalente organische Gerüstverbindungen (covalent organic frameworks, COFs), die mit einer rasterkraftmikroskopiebasierten Delaminierungsmethode modifiziert werden.²⁴⁾

Auf der Suche nach neuen (Fest-)Elektrolyten findet die Gruppe um Fässler die Wirts-Gast-Struktur des Li₆B₁₈(Li₃N), welche die Stränge der Li₃N-Struktur als Motiv enthält. Wie ⁷Li-NMR-Spektroskopie belegt, erhöht sich die Beweglichkeit der Li-Ionen, wenn die Li₃N-Stränge in die Li₆B₁₈-Matrix eingebettet sind.²⁵⁾

Bestehende und etablierte Materialien bedürfen einer weiteren kritischen Auseinandersetzung. Dies zeigen Hillebrecht, Krossing und Fischer mit ihren Teams: Die im Feld der Photobatterien hoch gehandelten Ammoniumbleiiodide eignen sich nicht für die Anwendung, da die beobachteten nicht-kapazitiven Ströme aus einer oxidativen Zersetzung der Elektrodenmaterialien herrühren und nicht aus einem fotoinduzierten Ladeprozess.²⁶⁾

Batteriematerialien zu recyceln ist essenziell, um nachhaltig zu agieren. Die Gruppe um Clemens trennt die Komponenten einer Festkörperbatterie durch einen zitronensäurebasierten Prozess voneinander.²⁷⁾

In der Anwendung: Recycling und Photochemie

Zum Thema Recycling haben Weidenkaff und Kolleg:innen sich mit Perowskit-Präkatalysatoren der Zusammensetzung La_0,6Ca_0,4Co_1–xFe_xO_3−δ beschäftigt. Wie sie zeigen, eignen sich diese zur Pyrolyse und Dekomposition von Atemmasken zu Kohlenstoff-Nanomaterialien und Wasserstoff.²⁸⁾ Ein hohes Fe/Co-Verhältnis in den Perowskit-Präkatalysatoren verbessert die Wasserstoffausbeute und fördert die Entstehung von Kohlenstoffnanoröhren in den Kompositen mit höheren graphitischen Eigenschaften und wenigen Defekten (Abbildung 7, S. 54).

Bei der photochemischen Wasserspaltung findet Marschall mit seiner Gruppe die Verbindung Ni₂FeS₄. Dieser effiziente und preisgünstige Cokatalysator könnte in der photochemischen Wasserspaltung mit TiO₂ die bisher verwendeten Edelmetalle ersetzen.²⁹⁾

Zudem wurden Photoanoden hinsichtlich Photoaktivität und Stabilität weiterentwickelt. In einer übergreifenden Arbeit haben Bachmann und Kolleg:innen untersucht, wie Cokatalysatorschichten aus Iridium die Stabilität einer WO₃-Photoanode beeinflussen.³⁰⁾ Demnach steigt die Photoaktivität zunächst durch die Modifizierung der WO₃-Photoanoden mit Iridium, sinkt dann aber mit zunehmender Iridiumschichtdicke.

Die Gruppe um Patzke untersucht, wie sich die Co₄O₄-Schichtdicke auf BiVO₄-Photoanoden auswirkt.³¹⁾ Ihren Ergebnissen zufolge verlängert die Co₄O₄-Schicht die Lebensdauer der Ladungsträger und verbessert den Ladungstransfer.

In der Anwendung: Metallorganische Gerüstverbindungen

MOFs gelten als nützliche Materialien für künftige Anwendungen. Vielversprechend sind schaltbare MOFs, bei denen sich steuern lässt, wann sie Gastmoleküle aufnehmen und abgeben. Mit seiner Gruppe hat Kaskel die Rolle der Phononen in den Schaltprozessen experimentell und theoretisch durchleuchtet und damit eine Grundlage für künftige Anwendungen geschaffen.³²⁾

Das Team um Knebel hat mit einer Quarzmikrowaage die direkte Synthese für ein MOF auf einem Goldsubstrat optimiert und baut damit nun einen optischen Sensor für Gase.³³⁾

Gase speichern ist eines der wichtigsten MOF-Anwendungsgebiete. Dass sich toxische Gase wie SF₆ bei Normalbedingungen in MOFs speichern lassen, zeigen Bunzen und Mitarbeitende am Beispiel der porösen Verbindung ZIF-8: Auch nach 60 Tagen gibt diese kein SF₆ frei.³⁴⁾

Zudem lassen sich in MOFs photoaktive Substanzen einlagern. Die ersten nur durch Wärmeeintrag rückschaltbaren Systeme haben Schwartz und Kolleg:innen mit einem Dihydroazulen synthetisiert.³⁵⁾ Innerhalb verschiedener MOFs wird Dihydroazulen lichtinduziert zum metastabilen Photoisomer transformiert, welches sich durch einen Wärmeeintrag von bis zu 75 °C wieder in den Grundzustand überführen lässt.

Feldmann und Mitarbeitende berichten über die Second-Harmonic-Generation(SHG)-Effekte der Verbindungen [(Se,Te)Cl₃]⁺[GaCl₄]⁻, die ausgerichtete ionische Tetraeder enthalten.³⁶⁾ Die Frequenzverdopplung dieser Materialien führt zu einer Quantenausbeute, die etwa dreimal so hoch ist wie die des Standards Kaliumdihydrogenphosphat.

Die Arbeitsgruppe um Mandel zeigt das Konzept informationsaufnehmender und -gebender Materie durch (sub-)mikrometergroße, kommunizierende Suprapartikel. Dies legt den Grundstein, um materielle und digitale Welt zu verbinden.³⁷⁾

Epple und Kolleg:innen haben einen Machinelearning-Algorithmus zur Analyse von Rasterelektronenbildern etabliert: Er dient der Auszählung und Formanalyse von Partikeln.³⁸⁾

Neue Strukturen und Verbindungen

Kraus und Mitarbeitende klären experimentell und theoretisch, wie F₂ aus MnF₄ entsteht.³⁹⁾ Wie sie zeigen, erfordert die reduktive Eliminierung von F₂ aus dem stabilen MnF₄ einen Überschuss an SbF₅. Als Endprodukt der Reaktion isolieren die Autoren das trikline Mn[Sb₂F₁₁]₂, das in einem bis dato unbekannten Strukturtyp kristallisiert (Abbildung 8).

Einer ebenfalls bekannten Verbindung widmet sich die Gruppe von Thiele. Sie haben das ferrimagnetische K₃[Fe₂S₄] phasenrein hergestellt, und zwar aus den Edukten Schwefel, K₂S und FeS in 5 Minuten bei 1200 °C in einer Silica-Ampulle.⁴⁰⁾

Neben Konzentration und Temperatur ist ein grundlegender Reaktionsparameter der Druck. Dessen Veränderung führt bisweilen zu unbekannten Verbindungen. So erschaffen Schnick und seine Gruppe unter Hochdruck Nitridosilikate mit silikatähnlichen Schichtstrukturen, die ungewöhnliche Stickstoffkoordinationspolyeder enthalten.⁴¹⁾

Oeckler, Schnick und Mitarbeitende berichten über die bei 12 GPa synthetisierten Phosphoroxidnitride P₇₄O₅₉N₈₄ und P₄₀O₃₁N₄₆. Diese haben komplexe tetraedrische Gerüststrukturen aus kettenartigen Bausteinen.⁴²⁾

Das erste ternäre Wolfram-Tellurat WTe₂O₇ haben Heymann und Kolleg:innen hergestellt, und zwar in einer Hochtemperatur(HT)-Hochdruck(HP)-Reaktion mit stöchiometrischen Einwaagen von WO₃ und TeO₂.⁴³⁾

Zwei neue Polymorphe des Selenosilikats Na₄Si₂Se₆ kommen von Pfitzner und Mitarbeitenden.⁴⁴⁾ Diese Chalkogensilikate sind die ersten mit zwei verschiedenen Anionen. Die Synthese erfolgt dabei sowohl über HT als auch über HP und resultiert in zwei neuen Strukturtypen: Die HT-Form Na₄Si₂Se₆-(tP24) enthält kantenständige Si₂Se₆₄-Tetraederdimere, die HP-Form Na₄Si₂Se₆-(oP48) zwei Einzelketten der Zusammensetzung _∞¹[Si₂Se₆]^4–.

Bykov und sein Team stabilisieren bei 32 bis 38 GPa das vorher nicht nachgewiesene Guanidinat-Ion in SbCN₃ und charakterisieren es über Einkristallröntgenbeugung und DFT-Rechnungen.⁴⁵⁾

Ebenfalls mit hohen Drücken arbeiten Dubrovinsky, Dubrovinskaia und ihre Gruppen. Dabei haben sie sieben neue Lanthanhydride gefunden, deren Strukturen sie über Einkristallröntgenbeugung aufklärten. Damit erweitern sie ein Phasensystem, das kürzlich durch Nahe-Raumtemperatursupraleiter für Aufsehen gesorgt hat.⁴⁶⁾

Die Struktur neuer Verbindungen zu charakterisieren ist obligatorisch, um deren Eigenschaften zu verstehen. Grin und seine Gruppe entdeckten ein verstecktes, komplexes Strukturmotiv von Be₂Ru mit Transmissionselektronenmikroskopie und Einkristallröntgenstrukturanalyse. Dabei wird die hexagonale Struktur von orthorhombischen Einschlüssen unterbrochen.⁴⁷⁾

Den ersten strukturellen Nachweis von Mono- und Bis(pyridin)chloronium-Ionen im festen Zustand haben Riedel und Mitarbeitende gebracht.⁴⁸⁾ Wie die Autoren zeigen, bilden Pyridin und Chlor stabile Addukte mit ionischen Eigenschaften, die Ag^I zu Ag^II oxidieren können.

Das erste ^–Se–C≡C–Se^–-Ion haben Ruschewitz und Mitarbeitende in der Verbindung Li₂[SeC₂Se] · 2 NH₃ realisiert.⁴⁹⁾ Das kristalline Ammoniat entsteht, indem Li₂C₂ mit elementarem Selen in flüssigem Ammoniak umgesetzt wird. IR- und Raman-Spektroskopie kombiniert mit DFT-Rechnungen belegen seine Existenz.

Ein weiteres neues Anion haben Kortz und Kolleg:innen vorgestellt: Das gemischte Pt^IV–Au^III-Oxoanion [Pt^IV₂Au^III₃O₆((CH₃)₂AsO₂)₆]⁻ entsteht in einer Eintopfreaktion in wässriger Lösung.⁵⁰⁾

Röhr und ihre Gruppe haben die metallische Clusterverbindung K₈GaTl₁₀ gefunden.⁵¹⁾

Bei der Untersuchung der Mischphase Sc₂Au_1−xAl_x haben Janka und seine Gruppe das Suboxid Sc₄Au₂O_1−x entdeckt.⁵²⁾

Mathias Wickleder und Mitarbeitende haben die Hydrazin-Sulfonsäure NH₂NHSO₃H hergestellt. Diese Verbindung entsteht bei der Reaktion von Hydrazinhydrat und SO₃ und kristallisiert als Bariumsalz.⁵³⁾

Dass Sinterhilfsmittel maßgeblich die magnetoelektrischen Eigenschaften beeinflussen, zeigen Ebbinghaus und Kolleg:innen an der Komposit-Verbindung (NiFe₂O₄)_0,3−(Sr_0,5Ba_0,5Nb₂O₆)_0,7: Durch Zufügen von LiNbO₃ variieren sie nicht nur die Korngröße von Sr_0,5Ba_0,5Nb₂O₆, sondern erhöhen zudem den magnetoelektrischen Koeffizient von 180 auf einen maximalen Wert von 803 µV · Oe⁻¹ · cm⁻¹ (bei 900 Hz).⁵⁴⁾

Im quaternären Phasensystem Sn-Pb-Bi-Pt finden Armbrüster und Kolleg:innen eine Syntheseroute zu Verbindungen im NiAs-Strukturtyp. Das System eignet sich bei konstantem Pt-Gehalt, den Einfluss der atomaren und der elektronischen Struktur bei der Elektrokatalyse zu untersuchen.⁵⁵⁾

Hartenbach, Schleid und Claudia Wickleder haben Y₃F[Si₃O₁₀] und Tm₃F[Si₃O₁₀] synthetisiert. Die Thulium-Verbindung lässt sich durch Dotieren mit Europium, Terbium oder Erbium zum Leuchten bringen.⁵⁶⁾

Bewegte und lokalisierte Elektronen

Elektronenladung und -spins sowie der Ladungstransport und die Spin-Kopplung lassen sich auf erstaunliche Weise durch festkörperchemische Prinzipien kontrollieren. Schleid und Mitarbeitende haben Ag₃Y[PS₄]₂ und drei isostrukturelle neue Seltenerdthiophosphate gefunden, die sie hinsichtlich ihrer (Ag⁺)-Leitfähigkeiten mit Impedanzspektroskopie untersucht haben: Es zeigt sich eine moderate Leitfähigkeit von σ = 3,36 × 10^–8 S · cm^–1 bei 60 °C.⁵⁷⁾

Niewas Gruppe nutzt Photoelektronenspektroskopie, um in der Substitutionsreihe des Ferrits BaFe_12−xTi_xO₁₉ zu zeigen, dass sich zur Ladungskompensation ausschließlich die Ladung des Eisens ändert und Titan immer als Ti^IV vorliegt.⁵⁸⁾

Physikalische Eigenschaften sind ebenfalls Gegenstand der Untersuchungen von Hoch und Kolleg:innen: Sie analysieren, wie strukturelle Unordnung und Valenzelektronenkonzentration bei gemischten Kalium-Rubidium- und Cäsium-Calcium-Amalgamen die magnetische Suszeptibilität sowie den Widerstand beeinflussen. Sie klassifizierten die Verbindungen als „bad metals“.⁵⁹⁾

Glaum, Mentre und ihre Gruppen haben neue schichtartige Bariummonophosphat-Wolframbronzen entdeckt, die dem in Abbildung 9 gezeigten einfachen Strukturkonzept folgen. Interessanterweise scheinen die neuen Zuschnitte der Strukturen das Ladungsdichtewelleverhalten der Mutterverbindung zu zerstören.⁶⁰⁾

Immer wieder sorgt der Ladungsaustausch in Komplexen für unerwartete Ergebnisse. Heine und Mitarbeitende berichteten von einer neuen Familie von fünf Iodidoantimonaten der Zusammensetzung [Sb_2nI_6n+4]⁴⁻ – erstmals bis hin zu n=5 –, deren Anionen ähnliche Strukturen aufweisen.⁶¹⁾ Wie die Autoren zeigen, verringert sich mit zunehmender Anionengröße die Anregungsenergie. Dies führen sie auf sinkenden antibindenden Charakter des Lumos zurück.

Bruns, Suta und Huppertz untersuchen in einer gemeinsamen Studie anhand von Borosulfaten die Emissionseigenschaften von Übergangsmetallen in Abhängigkeit der Metall-Ligand-Bindungsstärke.⁶²⁾ Die orangefarbene Emission für das System Zn[B₂(SO₄)₄] : x% Mn²⁺ (x = 3, 4, 5, 10) mit Mn²⁺ in oktaedrischer Koordination deutet dabei auf eine schwache Koordination der Borosulfat-Liganden hin. Damit ordnen sich diese in der spektrochemischen Reihe zwischen Cl^– und F^– ein.

Eine besonders starke Koordination findet das Team um Rasche und Mathias Wickleder. Wo die elektrochemischen und kristallographischen Experimente an mehreren Europiumverbindungen eindeutig sind und die Oxidationsstufe +II für Europium bestätigen, beobachten sie in Lumineszenzexperimenten eine Eu³⁺-typische Emission. Diese lässt sich durch die starke Wechselwirkung mit dem Phenanthrolin-Liganden erklären.⁶³⁾

Häufig lassen sich mit einfachen Konzepten aus anderen Gebieten der Chemie komplexe (elektronische) Sachverhalte veranschaulichen. Wie Dehnen und Mitarbeitende zeigen, haben regelmäßige {Bi₆}-Prismen ein nicht lokalisierbares Molekülorbital mit f-Symmetrie und erzeugen einen starken Ringstrom, der zu einem als φ-Aromatizität bezeichneten Verhalten führt. Dieses Verhalten zeigt beispielsweise der heterometallische Cluster [{CpRu}₃Bi₆]^–, der auf einer regelmäßigen prismatischen {Bi₆}-Einheit basiert (Abbildung 10).⁶⁴⁾ Im Gegensatz dazu haben die Autor:innen für die Verbindung [{(cod)Ir}₃Bi₆] eine verzerrte Bi₆-Einheit gefunden, welche die φ-Aromatizität stört.

Elektronenspin und Magnetismus

In einer gemeinsamen Arbeit synthetisierten Hampel, Schmidt und ihre Gruppen durch chemischen Transport Nanoplättchen von Chromtrihaliden, die für ihre ungewöhnlichen magnetischen Grundzustände in Nanokristallen bekannt sind. Insbesondere die starke Anisotropie sowie die Abhängigkeit der magnetischen Ordnung von der Schichtenzahl könnten für die Anwendung in der Spintronic relevant sein (Abbildung 11).⁶⁵⁾

Albert und Kolleg:innen haben in temperaturabhängigen Messungen an Einkristallen die anisotropen magnetischen Eigenschaften der α- und β-Phase von MnB bestimmt. α-MnB weist dabei entlang der c-Achse eine Verkippung der Spins und eine klassische ferromagnetische Kopplung auf.⁶⁶⁾ Man findet zudem das α‘-MnB, eine fehlgestapelte α-MnB-Variante.

Von Rohr und sein Team haben das magnetische Verhalten von einkristallinem LiCrTe₂ untersucht. Sie haben das magnetische Phasendiagramm experimentell ermittelt, und zwar mit Magnetisierungsmessungen und Neutronenbeugung sowie theoretisch mit DFT-Rechnungen.⁶⁷⁾

Die magnetische Kopplung kann sich über einen Kristallit hinaus erstrecken. Mit ihrem Team offenbart Disch die komplexe Natur magnetischer kobaltdotierter Eisenoxid-Nanopartikel. Der Kern-Schale-Aufbau lässt sich in Neutronenbeugungsexperimenten nachvollziehen, und erstmals wird ein ferrimagnetischer Zustand des Kerns identifiziert.⁶⁸⁾

Jenseits magnetischer Spin-Kopplungen ist die Spin-Bahn-Kopplung Quelle ungewöhnlicher physikalischer Effekte. Zum Beispiel hat die Gruppe um Felser in EuCuAs einen starken topologischen Hall-Effekt gefunden, der kombiniert mit der nicht-trivialen elektronischen Band- und Spinstruktur für Spintronics nützlich sein kann.⁶⁹⁾

RuCl₃ ist eine der wichtigsten Verbindungen in Hinblick auf Spingläser, einem bisher nur ansatzweise verstandenen Quantenzustand. Isaeva und ihre Gruppe klärten in einer Ru-Rh-Substitutionsreihe das magnetische Phasendiagramm auf und identifizierten so den Punkt, an dem der geordnete magnetische Grundzustand zusammenbricht.⁷⁰⁾

Auch wenn Quantenzustände oft auf einfache strukturelle oder chemische Ursachen zurückzuführen sind, bleiben die detaillierten Ursachen für das Auftreten eines bestimmten Quantenzustands meist schwierig vorherzusagen. So haben Johrendt und sein Team die neuen Verbindungen RbTi₃Bi₅ und CsTi₃Bi₅ mit charakteristischen Kagomé-Netzwerken entdeckt. Doch obwohl ein solches Kagomé-Netzwerk mit schweren Atomen vielversprechend ist im Hinblick auf topologische Eigenschaften der elektronischen Bandstruktur (etwa als topologische Isolatoren), finden sich in den physikalischen Eigenschaften der Metalle keine Anzeichen für nicht-triviales elektronisches Verhalten.⁷¹⁾

Drei Fragen an den Autor: Bertold Rasche

Welche Anregung hat Ihnen das Sichten der Trendbericht-Literatur für Ihre eigene Forschung geliefert?

Wie einfach und gleichzeitig genial ganz grundlegende Erkenntnisse zu einer Anwendung führen können.

Was würden Sie gerne entdecken oder herausfinden?

Welche Wechselwirkungen bei unkonventionellen Supraleitern die Bildung der Cooper-Paare verursachen und wie sich diese manipulieren lassen.

Was brauchen Sie heute im Beruf, was Sie im Studium nicht gelernt haben?

Sich durch die Wissenschafts- und Hochschulpolitik zu manövrieren. Aber zum Glück hat Game of Thrones mir das beigebracht.

Bertold Rasche, Jahrgang 1988, ist Juniorprofessor für anorganische Festkörper- und Elektrochemie an der Universität Stuttgart. Seine Forschungsinteressen sind Elektrochemie kristalliner Festkörper sowie deren Thermodynamik und physikalische Eigenschaften.

Drei Fragen an die Autorin: Heidi Annemarie Schwartz

Welche Erkenntnis der letzten zwölf Monate war für Ihre Forschung besonders wichtig?

Dass sich methodische Limitierungen überwinden lassen, indem man komplementäre Methoden kombiniert und weiterentwickelt.

Welche Methode wurde in den letzten zwölf Monaten vermehrt genutzt, die auch Sie für Ihre Forschung brauchen?

Totale Röntgenstreuung gekoppelt an Paarverteilungsfunktion.

Welcher Trend ist in den letzten zwölf Monaten aufgekommen, den Sie so nicht erwartet haben?

Die Nutzung und das Potenzial künstlicher Intelligenz wie ChatGPT. Vermutlich werden auch Chemiker:innen dies künftig nicht nur für Antragstellung und -formulierung nutzen, sondern auch zur Syntheseplanung.

Heidi Annemarie Schwartz, Jahrgang 1989, ist Aissistenzprofessorin und Habilitandin in Innsbruck. Sie forscht an photoaktiven Hybridmaterialien, metall-organischen Gerüstverbindungen sowie Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Mehrkomponentensystemen.

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