Eine Ein-Atom-Schicht aus Gold
Forscher schaffen "Goldene"
Zum ersten Mal ist es Wissenschaftlern gelungen, Goldfolien zu erzeugen, die nur eine einzige Atomschicht dick sind. Das Material wurde als "Goldene" bezeichnet. Nach Angaben von Forschern der Universität Linköping (Schweden) hat das Gold dadurch neue Eigenschaften erhalten, die es für Anwendungen wie die Umwandlung von Kohlendioxid, die Wasserstoffproduktion und die Herstellung von Chemikalien mit hohem Mehrwert geeignet machen können. Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift Nature Synthesis veröffentlicht.
Zum ersten Mal ist es Wissenschaftlern gelungen, Goldbleche herzustellen, die nur eine einzige Atomschicht dick sind.
Olov Planthaber
Wissenschaftler haben lange versucht, einatomige Goldbleche herzustellen, sind aber an der Neigung des Metalls zum Verklumpen gescheitert. Forschern der Universität Linköping ist dies nun dank einer hundert Jahre alten Methode gelungen, die von japanischen Schmieden verwendet wird.
"Wenn man ein Material extrem dünn macht, passiert etwas Außergewöhnliches - wie bei Graphen. Das Gleiche passiert mit Gold. Wie Sie wissen, ist Gold normalerweise ein Metall, aber wenn es nur ein Atom dick ist, kann das Gold stattdessen zu einem Halbleiter werden", sagt Shun Kashiwaya, Forscher in der Abteilung für Materialdesign an der Universität Linköping.
Um Gold herzustellen, verwendeten die Forscher ein dreidimensionales Grundmaterial, bei dem Gold zwischen Schichten aus Titan und Kohlenstoff eingebettet ist. Die Entwicklung von Goldene erwies sich jedoch als eine Herausforderung. Laut Lars Hultman, Professor für Dünnschichtphysik an der Universität Linköping, ist ein Teil des Fortschritts auf einen glücklichen Zufall zurückzuführen.
"Wir hatten bei der Entwicklung des Grundmaterials ganz andere Anwendungen im Sinn. Wir begannen mit einer elektrisch leitenden Keramik namens Titansiliziumkarbid, bei der das Silizium in dünnen Schichten vorliegt. Die Idee war dann, das Material mit Gold zu beschichten, um einen Kontakt herzustellen. Aber als wir das Bauteil einer hohen Temperatur aussetzten, wurde die Siliziumschicht im Inneren des Grundmaterials durch Gold ersetzt", sagt Lars Hultman.
Dieses Phänomen nennt man Interkalation, und was die Forscher entdeckt hatten, war Titangoldkarbid. Seit mehreren Jahren verfügten die Forscher über Titan-Gold-Karbid, ohne zu wissen, wie das Gold sozusagen herausgelöst oder herausgeschwemmt werden kann.
Durch Zufall stieß Lars Hultman auf eine Methode, die in der japanischen Schmiedekunst seit über hundert Jahren angewendet wird. Sie heißt Murakamis Reagenz, das Kohlenstoffrückstände wegätzt und die Farbe des Stahls zum Beispiel bei der Messerherstellung verändert. Es war jedoch nicht möglich, genau das gleiche Rezept wie die Schmiede zu verwenden. Shun Kashiwaya musste nach Modifikationen suchen:
"Ich habe verschiedene Konzentrationen von Murakamis Reagenz und verschiedene Zeitspannen für das Ätzen ausprobiert. Ein Tag, eine Woche, ein Monat, mehrere Monate. Wir stellten fest, dass die Ätzung umso besser funktionierte, je niedriger die Konzentration und je länger der Ätzvorgang dauerte. Aber das war immer noch nicht genug", sagt er.
Das Ätzen muss außerdem im Dunkeln erfolgen, da sich bei der Reaktion unter Lichteinwirkung Zyanid entwickelt, das das Gold auflöst. Der letzte Schritt bestand darin, die Goldbleche stabil zu machen. Um zu verhindern, dass sich die freigelegten zweidimensionalen Blätter aufrollen, wurde ein Tensid hinzugefügt. In diesem Fall ein langes Molekül, das die Blätter trennt und stabilisiert, d. h. ein Tensid.
"Die Goldfolien befinden sich in einer Lösung, ein bisschen wie Cornflakes in Milch. Mit einer Art "Sieb" können wir das Gold auffangen und mit einem Elektronenmikroskop untersuchen, um zu bestätigen, dass wir erfolgreich waren. Und das haben wir", sagt Shun Kashiwaya.
Die neuen Eigenschaften von Goldene sind darauf zurückzuführen, dass das Gold zwei freie Bindungen hat, wenn es zweidimensional ist. Dank dieser Tatsache könnten künftige Anwendungen die Umwandlung von Kohlendioxid, die Wasserstoff erzeugende Katalyse, die selektive Herstellung von Chemikalien mit hohem Mehrwert, die Wasserstofferzeugung, die Wasserreinigung, die Kommunikation und vieles mehr umfassen. Außerdem kann die Menge an Gold, die heute in Anwendungen eingesetzt wird, deutlich reduziert werden.
In einem nächsten Schritt wollen die LiU-Forscher untersuchen, ob dies auch mit anderen Edelmetallen möglich ist, und weitere zukünftige Anwendungen identifizieren.
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