Eine einzelne Schicht Goldatom: Forscher erschaffen Gold

Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen, Goldbleche mit einer Dicke von nur einem Atom herzustellen. Das Material hieß Goldene. Laut Forschern der Universität Linköping in Schweden hat Gold dadurch neue Eigenschaften erhalten, die es für den Einsatz in Anwendungen wie der Kohlendioxidumwandlung, der Wasserstoffproduktion und der Produktion von Mehrwertchemikalien geeignet machen könnten. Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Natürliche Synthese.

Wissenschaftler haben lange versucht, Goldbleche mit einer Dicke von nur einem Atom herzustellen, scheiterten jedoch an der Tendenz des Metalls, zusammenzuklumpen. Doch Forschern der Universität Linköping ist es nun dank einer jahrhundertealten Methode japanischer Schmiede gelungen.

„Wenn man ein extrem dünnes Material herstellt, passiert etwas Außergewöhnliches, wie bei Graphen. Das Gleiche passiert mit Gold. Wie Sie wissen, ist Gold im Allgemeinen ein Metall, aber wenn es nicht nur ein Atom enthält, kann Gold zu einem Halbleiter werden.“ “, sagt Shun Kashiwaya, Forscher an der Abteilung für Materialdesign der Universität Linköping.

Für die Herstellung von Goldene verwendeten die Forscher ein dreidimensionales Grundmaterial, in das Gold zwischen Schichten aus Titan und Kohlenstoff eingebettet ist. Aber Goldene zu finden erwies sich als Herausforderung. Laut Lars Hultman, Professor für Dünnschichtphysik an der Universität Linköping, ist ein Teil des Fortschritts dem Zufall zu verdanken.

„Wir hatten das Grundmaterial für völlig andere Anwendungen entwickelt. Wir begannen mit einer elektrisch leitfähigen Keramik namens Silizium-Titankarbid, bei der das Silizium in dünnen Schichten vorhanden ist. Die Idee war dann, das Goldmaterial zu beschichten, um den Kontakt herzustellen. Aber wann? „Wir haben das Bauteil hohen Temperaturen ausgesetzt, die Siliziumschicht wurde im Grundmaterial durch Gold ersetzt“, erklärt Lars Hultman.

Dieses Phänomen wird Interkalation genannt und die Forscher hatten Gold und Titankarbid entdeckt. Seit einigen Jahren haben Forscher Gold und Titankarbid im Blick, ohne zu wissen, wie das Gold abgeblättert oder sozusagen verteilt werden kann.

Durch Zufall entdeckte Lars Hultman eine Methode, die in der japanischen Schmiedekunst seit über hundert Jahren Anwendung findet. Dies nennt man Murakamis Reagenz, das beispielsweise bei der Herstellung von Messern Kohlenstoffrückstände entfernt und die Farbe von Stahl verändert. Es war jedoch nicht möglich, genau das gleiche Rezept wie das der Schmiede zu verwenden. Kashiwaya musste über Veränderungen nachdenken.

„Ich habe verschiedene Konzentrationen von Murakamis Reagenz und verschiedene Ätzzeiten ausprobiert. Einen Tag, eine Woche, einen Monat, mehrere Monate. Was uns auffiel, war, dass der Ätzprozess umso besser war, je niedriger die Konzentration war. Je länger er dauerte, desto besser war er. aber es war immer noch nicht genug“, sagte er.

Auch das Ätzen muss im Dunkeln erfolgen, da bei der Reaktion bei Lichteinfall das Cyanid wächst und das Gold auflöst. Der letzte Schritt bestand darin, das Blattgold zu stabilisieren. Um zu verhindern, dass sich die freigelegten zweidimensionalen Blätter kräuseln, wurde ein Tensid zugesetzt. In diesem Fall ein langes Molekül, das die Schichten trennt und stabilisiert, also ein Tensid.

„Die Goldblätter sind in einer Lösung, ähnlich wie Cornflakes in Milch. Mit einer Art ‚Sieb‘ können wir das Gold sammeln und es unter einem Elektronenmikroskop untersuchen, um zu bestätigen, dass wir das haben, was wir haben“, erklärt Kashiwaya. .

Die neuen Eigenschaften von Gold beruhen darauf, dass 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, festzustellen, ob dies auch mit anderen Edelmetallen möglich ist, und andere zukünftige Anwendungen zu identifizieren.