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Astronomie+Physik

Blattgold im Nanomaßstab

Gold
Diese Goldfolie ist nur zwei Atomlagen dick. Weil sie normalerweise nicht golden glänzen würde, wurde sie hier nachkoloriert. (Bild: University of Leeds)

Gold ist nicht nur ein begehrtes Edelmetall, seine besonderen Eigenschaften machen es auch zu einem nützlichen Helfer in Medizin und Technik. Je feiner das Gold dabei ist, desto wirksamer ist es als Katalysator. Jetzt ist es Forschern gelungen, erstmals Goldfolien herzustellen, die nur zwei Atomlagen dick sind – es ist damit das dünnste Gold der Welt. Wie nützlich es sein könnte, belegten ergänzende Experimente. Demnach sind nur 0,47 Nanometer dünnen Goldfolien rund zehnmal effektivere Katalysatoren als die herkömmlich in vielen Verfahren eingesetzten Gold-Nanopartikel.

Gold ist in gleich mehrerer Hinsicht ein ungewöhnliches Metall. Denn es verweigert fast alle chemischen Reaktionen, zeigt einen selbst unter Metallen einzigartigen Glanz und ist so formbar und dabei beständig wie kein anderes Element. Unter anderem deshalb galt dieses Edelmetall schon bei unseren Vorfahren als „Element der Götter“. Doch auch in der modernen Zeit hat sich Gold als besonders nützlich erwiesen. In der Medizin dienen Gold-Nanopartikel als Vehikel für Wirkstoffe und als Akteure gegen Tumore. In der Elektronik wird Nanogold für die Wärmeabsorption und als Elektroden eingesetzt und in der Chemie fungieren Gold-Nanopartikel als Katalysatoren für verschiedenste Reaktionen. Das Wirksame hierbei ist vor allem die große Oberfläche dieser Partikel, denn nur die oberflächlichen Goldatome entfalten die physikalischen und chemischen Eigenschaften, die dafür benötigt werden.

Methylorange als „Plattmacher“

Eine Form des Nanogoldes haben nun Sunjie Ye von der University of Leeds und seine Kollegen hergestellt. Sie entwickelten eine Methode, mit der Goldfilme von nur zwei Atomlagen Dicke erzeugt werden können – das ist dünner als jede andere Nanogold-Folie zuvor. „2D-Nanomaterialien mit nur einer oder wenigen Atomlagen Dicke, wie beispielsweise Graphen, haben ein enormes Interesse geweckt“, erklären die Forscher. „Denn aus ihrer verringerten Dimensionalität erwachsen einzigartige elektronische, mechanische und oberflächenspezifische Eigenschaften.“ Besonders begehrt sind dabei Ultradünnfilme, die nicht flach auf einem Substrat aufliegen, sondern freistehenden sind, denn dadurch wird noch mehr von ihrer katalytisch aktiven Oberfläche verfügbar. Das Problem ist allerdings die Produktion solcher freistehender 2D-Gebilde. Denn für das Material ist es meist energetisch günstiger, sich zu dichteren Klumpen zusammenzuballen, statt flache Folien zu bilden.

Ye und sein Team haben nun jedoch ein Verfahren entwickelt, das dieses Zusammenballen verhindert und ultradünne Goldschnipsel entstehen lässt. Dafür stellten sie zuerst eine wässrige Lösung von Tetrachlorogoldsäure (HAuCl4) und Natriumcitrat her, die sie dann nach und nach zu Methylorange dazu gaben. Diese Substanz fungierte als „Plattmacher“, wie die Forscher erklären: Die flache, ringförmige Struktur dieser Kohlenwasserstoffverbindung hindert das Gold daran, Klumpen zu bilden und begünstigt stattdessen die Bildung flacher Folien. Die Gold-Methylorange-Lösung wurde zwölf Stunden lang ungestört bei Raumtemperatur stehengelassen, bevor die Forscher alle festen Komponenten durch Zentrifugation von der Flüssigkeit trennten. Das Pellt aus Festoffen lösten sie dann erneut in Wasser. Das Ergebnis war eine grünlich-blaue Flüssigkeit, in der unzählige ultradünne Goldfolienstückchen umherschwimmen. „Diese Dispersion bleibt unter Raumbedingungen mehr als 15 Monate lang stabil“, berichten Ye und sein Team.

Besserer Katalysator als Gold-Nanopartikel

Aufnahmen mit Elektronen- und Rasterkraftmikroskopen belegten: Die winzigen Goldschnipsel waren nur 0,48 Nanometer dünn und bestanden aus nur zwei Atomlagen. „Diese Gold-Nanofolien repräsentieren das ersten freistehende 2D-Gold mit Subnanometerdicke“, konstatieren die Forscher. Erste Tests mit den neuerzeugten Goldfolien ergaben, dass diese ultradünnen Schichten eine zehnmal effektivere katalytische Aktivität entfalteten als die herkömmliche eingesetzten Gold-Nanopartikel. „Gold ist ein hochgradig effektiver Katalysator. Weil diese Nanofilme so dünn sind, nimmt nahezu jedes Goldatom an der Katalyse teil – das macht diesen Prozess so effizient“, erklärt Senior-Autor Stephen Evans von der University of Leeds. „Die Industrie könnte mit diesen 2D-Filmen den gleichen Effekt mit einer kleineren Goldmenge erreichen – das hat bei einem solche Edelmetall wirtschaftliche Vorteile.“

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Die Versuche ergaben auch, dass sich die Gold-Nanofolien bei biochemischen Reaktionen ähnlich verhalten wie biologische Enzyme. „Besonders spannend ist dabei, dass die Goldfilme eine hohe katalytische Aktivität in dem physiologisch wichtigen pH-Bereich zwischen 5 und 7,4 zeigen“, sagen die Wissenschaftler. „Das wäre für biomedizinische Anwendungen wichtig.“ Ihrer Ansicht nach könnten sich solche Gold-Nanofolien daher künftig auch als künstliche Enzyme beispielsweise in medizinischen Diagnose-Tests eigenen.

Quelle: Sunjie Ye (University of Leeds, UK) et al., Advanced Science, doi: 10.1002/advs.201900911

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