Goldnanokristalle mit definierten geometrischen Formen gezielt herstellen
Der griechische Philosoph Plato (427-347 v. Chr.) glaubte, dass Materie aus sehr kleinen, vollkommen regelmäßig geformten Teilchen besteht. Die Oberflächen solcher "Platonischen Körper" bestehen aus gleich großen, gleichseitigen und gleichwinkligen Vielecken. In jeder Ecke stoßen gleich viele Flächen aneinander. Aus geometrischen Gründen sind fünf verschiedene derartige Körper möglich (die Plato übrigens den "Elementen" Feuer, Erde, Luft, Wasser und Himmelsäther zuordnete). Forschern aus Berkeley ist es nun gelungen, Nanokristalle aus Gold herzustellen, deren Formen an vier der platonischen Körper erinnern: Tetraeder (aus vier Dreiecken), Würfel (aus sechs Quadraten), Oktaeder (aus acht Dreiecken) und Ikosaeder (aus 20 Dreiecken).
Nicht nur zu Platos Zeiten, auch heute noch sind Naturwissenschaftler von der Schönheit der Symmetrie und dem verblüffend einfachen Aufbau der Platonischen Körper fasziniert. Nanokristalle in diesen Formen zu züchten hat aber mehr als nur akademische Gründe. Ihre perfekte Symmetrie ist ideal, um die Teilchen in hochgeordnete zwei- oder dreidimensionale Strukturen dicht an dicht zu packen. So sind neuartige Materialien mit maßgeschneiderten optischen, elektronischen oder katalytischen Eigenschaften zugänglich - Eigenschaften, die nicht nur von der Größe, sondern auch von der Teilchenform abhängen.
Das Team um Peidong Yang geht bei der Herstellung ihrer Goldnanokristalle von einer Goldsalz-Lösung aus, die in Gegenwart eines speziellen oberflächenaktiven Polymers in siedendes Ethylenglycol injiziert wird. Das Ethylenglycol dient als Lösungsmittel und reduziert [gleichzeitig die Goldionen zu elementarem Gold. Das Polymer stabilisiert die entstehenden Goldnanopartikel und beeinflusst ihre Gestalt. Unter den zunächst gewählten Konzentrationsverhältnissen entstehen innerhalb weniger Minuten feinst verteilte, sehr einheitlich dimensionierte Goldpartikel, die unter dem Elektronenmikroskop aussehen wie an einer Spitze abgeflachte Tetraeder. Wird das Experiment dagegen bei einer etwas niedrigeren Gold-Konzentration durchgeführt, entstehen zu 90% ikosaedrische Goldkriställchen. Unter den restlichen 10% sind zudem oktaedrische Teilchen zu finden. Durch zusätzliche Zugabe einer geringen Menge eines Silbersalzes zur Reaktionslösung konnten die Forscher zu 95% würfelförmige Goldnanokristalle züchten.
Die verschiedenen Formen entstehen in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Kristallwachstums entlang der verschiedenen kristallografischen Achsen. Diese wird offenbar durch das Polymer und die Silberionen beeinflusst sowie durch die Konzentrationsverhältnisse während der Entstehung der Kristallisationskeime.
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