موضوع مقاله: خوشه‌های آهن-نیکل | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # خوشه‌های آهن-نیکل | مقدمه: (f) هشت وجهی (C 2r) خوشه‌های آهن نیکل (Fe-Ni) خوشه‌های فلزی هستند که از آهن و نیکل تشکیل شده‌اند. | ## بخش 1: خوشه‌های آهن-نیکل | ساختارهای آهن-نیکل توسط دو یا چند پیوند فلز-فلز در ساختار چندوجهی قرارگرفته است. شکل ۱ تصویری سه بعدی ار این انواع مخلتف خوشه‌هایی که به شکل هرم مثلثی هستند نشان می‌دهد. سیستم‌های حجیم مربوط به اتم‌های آهن و نیکل انواع ناهنجاری‌های وابسته به ترکیب و اثرات غیرعادی را نشان می‌دهند. کامپوزیت‌های Fe-Ni به امید درک و استفاده از این خواص غیرعادی و جدید مورد مطالعه قرار می‌گیرند. بسته به مکانیزم واکنش، خوشه‌های آهن-نیکل از یک تا صدها اتم در کاتالیز استفاده می‌شوند. علاوه بر این، خوشه‌های Fe-Ni، معمولاً از یک یا دو اتم فلز، در سیستم‌های بیولوژیکی استفاده می‌شوند. خواص عمومی ساختار و هندسه چند راهکار کلی در تعیین خوشه‌های آهن-نیکل شناسایی شده‌است. خوشه‌های بزرگ‌تر که حاوی دو عنصر آهن و نیکل هستند در صورتی که آن در داخل خوشه و نیکل در خارج آن قرار گرفته باشد، پایدارتر هستند. به صورت کلی اگر آهن و نیکل در ساختاری مکعبی شکل باشند مکان قرارگیری آهن بهتر است در داخل و نیکل در بیرون باشد، زیرا از نظر انرژی برای دو اتم نیکل نامطلوب است که موقعیت‌های نزدیکترین همسایه را اشغال کنند. قابل پیش‌بینی است که پیوندهای فلز-فلز پایدارتر طول پیوند طولانی تری از پیوندهای ناپایدار داشته باشند باشد. این مطلب با این حقیقت که که طول پیوند آهن-نیکل بین طول پیوند نیکل-نیکل و آهن-آهن قرار دارد، نشان داده می‌شود. هنگامی که پیوند در این ساختارها مورد بررسی قرار می‌گیرد، نتیجه می‌شود که کم‌ترین ساختار خوشه‌ای از آهن و نیکل توسط هندسه‌هایی با حداکثر تعداد پیوند Fe-Fe و تعداد کمی پیوند Ni-Ni داده می‌شود. همه خوشه‌های آهن-نیکل مقداری از هندسه معمولی دارای پیچ خوردگی هستند که این مقدار با افزایش اتم‌های آهن افزایش می‌یابد. دقت داشته باشید که چگونه در دیاگرام خوشه بالا، همان‌طور که آقای رولمن و همکارانش محاسبه کردند، تقارن خوشه از یک جسم هشت سطحی خالص(D3h) به یک هرم(C4v) در همان لحظه ای که اتم‌های آن اضافه می‌شوند. از مشخصه‌های پایداری در خوشه‌های آهن-نیکل ، انرژی پیوند است، انرژی پیوند، مقداری انرژی مود نیاز جهت شکستن پیوند بین دو اتم است. | ## بخش 2: خوشه‌های آهن-نیکل | میانگین گشتاور مغناطیسی در یک خوشه Fe-Ni با جایگزین شدن بیشتر و بیشتر اتم‌های آهن افزایش می‌یابد. این به دلیل انتقال بار از مدارهای 4s نیکل و اتم‌های آهن به اوربیتال‌های ۳ بعدی نیکل است. توجه کنید که چگونه هر دو نویسنده نشان می‌دهند که Fe 2 دارای کمترین طول پیوند، کمترین انرژی اتصال و بزرگترین گشتاور مغناطیسی ترکیبات خوشه‌ای است. به‌طور کلی، گشتاورهای مغناطیسی در خوشه‌های فلزی کوچک بزرگ‌تر از ساختار فلزی توده‌ای ماکروسکوپی است. این با پیوندهای فلز-فلز طولانی‌تر در ساختارهای خوشه ای نسبت به ساختارهای توده توضیح داده می‌شود، که نتیجه ویژگی بزرگتر پیوندهای فلز-فلز در خوشه است. با افزایش اندازه خوشه، گشتاورهای مغناطیسی به مقادیر توده نزدیک می‌شوند، اگرچه پیش‌بینی محاسباتی این اغلب دشوار است. دفع کردن(quench) مغناطیسی یک پدیده بسیار با اهمیت می‌باشد که اطلاعات خوبی از خوشه‌های نیکل در این باره وجود دارد و نشان دهنده تأثیر بیار زیاد لیگاندها بر مغناطیس خوشه‌های فلزی است. لیگاندهای CO باعث می‌شوند که گشتاورهای مغناطیسی اتم‌های نیکل در سطح به صفر برسد و گشتاور مغناطیسی اتم‌های Ni درونی به ۰٫۵ μB کاهش یابد. محاسبات انجام شده در تئوری تابعی چگالی نشان می‌دهد اثرات الکترونیکی ناشی از لیگاند فقط به اتم‌های نیکل در سطح محدود شده و به دیگر اتم‌های خوشه داخلی خللی وارد نکرده و آشفته نمی‌شوند. یافته‌های تجربی دو اتم خوشه‌ای متمایز الکترونیکی، اتم‌های داخلی و اتم‌های سطحی را توصیف کرده‌اند. این نتایج نشان دهنده تأثیر قابل توجهی است که اندازه یک خوشه بر ویژگی‌های آن، مغناطیسی و غیره دارد. خوشه‌های Fe-Ni در زیست‌شناسی خوشه‌های فلزی Fe-Ni برای تولید انرژی در بسیاری از باکتری‌ها حیاتی هستند. یک منبع اصلی انرژی در باکتری‌ها اکسیداسیون و احیای H 2 است که توسط آنزیم‌های هیدروژناز انجام می‌شود. این آنزیم‌ها می‌توانند یک گرادیان بار در سراسر غشای سلولی ایجاد کنند که به عنوان ذخیره انرژی عمل می‌کند. با این حال، بسیاری از باکتری‌ها می‌توانند در محیط‌هایی زندگی کنند که عرضه O 2 محدود است و از H 2 به عنوان منبع انرژی اولیه خود استفاده می‌کنند. | ## بخش 3: خوشه‌های آهن-نیکل | H 2 سوخت و ساز بدن است که توسط انسان یا دیگر اشکال زندگی پیچیده استفاده نمی‌شود، اما پروتئین‌ها در میتوکندری زندگی پستانداران به نظر می‌رسد از آنزیم هیدروژناز تکامل یافته، نشان می‌دهد که هیدروژناز یک گام مهم در توسعه تکاملی سوخت و ساز بدن است. محل فعال آنزیم‌های هیدروژناز حاوی Fe-Ni اغلب از یک یا چند لیگاند گوگرد پل زدن، کربونیل، سیانید و لیگاندهای گوگرد انتهایی تشکیل شده‌است. لیگاندهای سولفور غیر پل زدنی اغلب بقایای اسید آمینه سیستین هستند که محل فعال را به ستون فقرات پروتئین متصل می‌کنند. چندین حالت اکسیداسیون هسته آهن-نیکل در انواع آنزیم‌ها مشاهده شده‌است، اگرچه به نظر نمی‌رسد که همه آنها از نظر کاتالیزوری مرتبط باشند. حساسیت شدید به اکسیژن و مونوکسید کربن این آنزیم‌ها چالشی را در هنگام مطالعه آنزیم‌ها ایجاد می‌کند، اما مطالعات کریستالوگرافیک زیادی انجام شده‌است. این آنزیم‌ها مطالعات دربارهٔ مدل ساختاری و عملکردی را به انگیزه ایجاد کاتالیز مصنوعی جهت تولید هیدروژن، ترغیب کرد. تولید آهن نیکل و هیدروژن در جستجوی یک منبع انرژی پاک و تجدیدپذیر برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی، هیدروژن به عنوان یک سوخت احتمالی برای آینده توجه زیادی را به خود جلب کرده‌است. یکی از چالش‌هایی که برای تحقق این امر باید برطرف شود، روشی کارآمد برای تولید و مصرف هیدروژن است. در حال حاضر، ما فناوری تولید هیدروژن از زغال سنگ، گاز طبیعی، زیست توده و آب را داریم. اکثر هیدروژن تولید شده در حال حاضر از اصلاح گاز طبیعی حاصل می‌شود و از این رو به حذف سوخت فسیلی به عنوان منبع انرژی کمکی نمی‌کند. انواع روش‌های پایدار برای تولید هیدروژن در حال حاضر در حال تحقیق هستند، از جمله تولید هیدروژن خورشیدی، زمین گرمایی و کاتالیزوری. پلاتین در حال حاضر به تولید هیدروژن استفاده کاتالیز، اما به عنوان پلاتین گران است، یافت شده در عرضه محدود، و به راحتی توسط مونوکسید کربن در طول H 2 تولید مسموم، آن است که عملی برای استفاده در مقیاس بزرگ است. کاتالیزورهای الهام گرفته شده از محل فعال Fe-Ni بسیاری از آنزیم‌های تولیدکننده هیدروژن به دلیل وجود فلزات ارزان و در دسترس بسیار مطلوب هستند. تا به امروز، تنها یک نمونه از یک مجموعه مدل Fe-Ni که به اندازه کافی پایدار است تا بتواند دامنه پتانسیل الکترونیکی مورد نیاز برای کاتالیز را تحمل کند، منتشر شده‌است. | ## جمع‌بندی | با حفظ این صفات از سایت فعال آنزیم، امید است که کمپلکس‌های مصنوعی در پتانسیل الکتروشیمیایی لازم برای کاتالیز عمل کنند، فرکانس چرخش بالایی داشته باشند و قوی باشند.