Zum ersten Mal ist es Wissenschaftlern gelungen, Goldschichten herzustellen, die nur eine einzige Atomschicht dick sind. Das Material wurde als „golden“ bezeichnet. Laut Forschern der Universität Linköping in Schweden hat das Gold dadurch neue Eigenschaften erhalten, die es für den Einsatz in Anwendungen wie der Kohlendioxidumwandlung, der Wasserstoffproduktion und der Produktion von Mehrwertchemikalien geeignet machen können. Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Natursynthese.
Wissenschaftler haben lange versucht, ein Atom dicke Goldschichten herzustellen, scheiterten jedoch an der Tendenz des Metalls, sich zu verklumpen. Doch Forschern der Universität Linköping ist es nun dank einer hundert Jahre alten Methode japanischer Schmiede gelungen.
„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 eine Atomschicht 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. Doch die Entwicklung von „Golden“ erwies sich als Herausforderung. Laut Lars Hultman, Professor für Dünnschichtphysik an der Universität Linköping, ist ein Teil des Fortschritts auf Zufall zurückzuführen.
„Wir hatten das Grundmaterial für völlig andere Anwendungen entwickelt. Wir begannen mit einer elektrisch leitfähigen Keramik namens Titan-Siliziumkarbid, bei der sich Silizium in dünnen Schichten befindet. Dann bestand die Idee, das Material mit Gold zu beschichten, um einen Kontakt herzustellen. Aber wann? Als wir das Bauteil hohen Temperaturen aussetzten, wurde die Siliziumschicht im Grundmaterial durch Gold ersetzt“, sagt Lars Hultman.
Dieses Phänomen wird Interkalation genannt und die Forscher hatten Titan-Goldkarbid entdeckt. Seit mehreren Jahren verfügen die Forscher über Titan-Goldkarbid, ohne zu wissen, wie das Gold sozusagen abgeblättert oder ausgewaschen werden kann.
Durch Zufall fand Lars Hultman eine Methode, die in der japanischen Schmiedekunst seit über hundert Jahren Anwendung findet. Es heißt Murakamis Reagenz, das Kohlenstoffrückstände wegätzt und beispielsweise bei der Messerherstellung die Farbe von Stahl verändert. Es war jedoch nicht möglich, genau das gleiche Rezept zu verwenden wie die Schmiede. Kashiwaya musste sich Modifikationen ansehen.
„Ich habe verschiedene Konzentrationen von Murakamis Reagens und verschiedene Zeitspannen zum Ätzen ausprobiert. Einen Tag, eine Woche, einen Monat, mehrere Monate. Was uns auffiel, war, dass es umso besser war, je niedriger die Konzentration und je länger der Ätzvorgang war. Aber es war immer noch so.“ „Das reicht nicht“, sagt er.
Auch das Ätzen muss im Dunkeln erfolgen, da bei der Reaktion unter Lichteinwirkung Cyanid entsteht, das Gold auflöst. Der letzte Schritt bestand darin, die Goldbleche stabil zu machen. Um ein Aufrollen der freigelegten zweidimensionalen Folien zu verhindern, wurde ein Tensid zugesetzt. In diesem Fall handelt es sich um ein langes Molekül, das die Schichten trennt und stabilisiert, also ein Tensid.
„Die goldenen Blätter sind in einer Lösung, ein bisschen wie Cornflakes in Milch. Mit einer Art ‚Sieb‘ können wir das Gold sammeln und es mit einem Elektronenmikroskop untersuchen, um zu bestätigen, dass uns das gelungen ist. Und das haben wir“, sagt Kashiwaya .
Die neuen Eigenschaften von Gold sind darauf zurückzuführen, dass das Gold im zweidimensionalen Zustand über zwei freie Bindungen verfügt. Dadurch könnten zukünftige Anwendungen die Umwandlung von Kohlendioxid, die Katalyse zur Wasserstofferzeugung, die selektive Produktion von Mehrwertchemikalien, die Wasserstoffproduktion, die Wasserreinigung, die Kommunikation und vieles mehr umfassen. Darüber hinaus kann die Menge an Gold, die heute in Anwendungen verwendet wird, erheblich reduziert werden.
Der nächste Schritt für die LiU-Forscher besteht darin, zu untersuchen, ob dies auch mit anderen Edelmetallen möglich ist, und weitere zukünftige Anwendungen zu identifizieren.
Mehr Informationen:
Synthese von Gold, bestehend aus einatomigem Schichtgold, Natursynthese (2024). DOI: 10.1038/s44160-024-00518-4