Nano-Käfig Gefängnis aus nur 16 Goldatomen

Nur 16 Goldatome bilden den kleinsten goldenen Käfig der Welt - das erste metallische Gegenstück zu den Buckyballs, die aus 60 oder mehr Kohlenstoffatomen zusammengesetzt sind. Forscher wollen darin einzelne Atome fangen.


Mit einer Größe von knapp einem Millionstel Millimeter bietet dieser Käfig gerade genügend Platz, um ein einzelnes fremdes Atom zu beherbergen. Aber genau dieser Platz macht den aus Dreiecken zusammengesetzten Nano-Körper für Werkstoffforscher so interessant.

Im Jahr 1985 beschrieben Robert F. Curl, Harold W. Kroto und Richard E. Smalley in der Zeitschrift "Nature" zum ersten Mal ein Fulleren aus Kohlenstoff, dem sie zu Ehren des Architekten Buckminster Fuller den Namen Buckminster-Fulleren gaben. Das C60-Fulleren gilt als am besten erforscht und ähnelt in seiner Zusammensetzung aus zwölf Fünfecken und 20 Sechsecken einem Fußball. Daher spricht man auch schlicht von Buckyballs. 1996 erhielten Curl, Kroto und Smalley den Chemie-Nobelpreis für ihre Entdeckung

Seitdem suchten Wissenschaftler in aller Welt nach metallischen Verwandten solcher molekularer Käfige - bislang allerdings ohne Erfolg. Denn Verbindungen aus wenigen Metallatomen haben die Tendenz, sich extrem dicht zusammenzulagern. Dadurch bilden sie entweder flache Strukturen oder aber massive geometrische Körper wie beispielsweise Pyramiden, die keinerlei Hohlraum mehr enthalten.

Das gilt auch für Gold, haben bereits frühere Studien gezeigt. So sind alle Strukturen aus weniger als 13 Goldatomen eben, während alle Verbindungen aus mehr als 19 Atomen zwar dreidimensional, aber nicht hohl sind.

Aus diesem Grund konzentrierten sich Forscher am Pacific Northwest National Laboratory (PNL) in Richland im US-Bundesstaat Washington nun auf die Goldcluster mit 14 bis 18 Atomen: Sie berechneten, welche der möglichen Anordnungen am stabilsten sein müssten und simulierten am Computer, wie diese Strukturen sich bei Bestrahlung mit Licht bestimmter Wellenlängen verhalten würden.

Anschließend setzten sie mithilfe eines Lasers 14, 15, 16, 17 und 18 Goldatome zusammen, bestrahlten sie mit dem definierten Licht und verglichen das entstehende Muster mit dem theoretisch Vorhergesagten. Über die kleinen Goldkäfige berichtet das PNL-Team um Lai-Sheng Wang in einer Online-Vorabveröffentlichung der Wissenschaftszeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences".

Nicht direkt beobachtbar

Allerdings ist eine direkte Beobachtung der Nano-Gebilde nicht möglich. Rückschlüsse auf deren wirkliche Form können die Experimentatoren nur indirekt ziehen. Die Übereinstimmungen bei den Untersuchungsergebnissen deuteten darauf hin, dass sich im Laser tatsächlich käfigartige, hohle Strukturen aus 16, 17 und 18 Goldatomen gebildet hatten, berichten die Forscher. "Das ist das erste Mal, dass ein hohler Käfig aus Metall experimentell nachgewiesen werden konnte", kommentiert Studienleiter Wang.

Als die Buckyballs entdeckt wurden, galten sie noch als reines Spielzeug von Grundlagenforschern. Mittlerweile finden sie - wenigstens experimentell - Anwendung in der Medizin. So sollen sie helfen, Wirkstoffe zielgenauer zu verteilen, oder in gesundheitsschonenden Kontrastmitteln für bildgebende Diagnoseverfahren eingesetzt werden. Mit Buckyballs, die wenige Metallatome gefangen halten, wird an neuen Solarzellen und Katalysatoren geforscht. So nennt man Materialien, die chemische Reaktionen beschleunigen.

Auch die Goldkäfige im Nanomaßstab sollen in der Diagnose ebenso wie bei der Krebstherapie Anwendung finden. Da Edelmetalle aber auch über besondere Spektraleigentschaften verfügen, wird den kleinsten Goldstrukturen auch Potential im jungen Feld der Nanophotonik vorrausgesagt.

Nach Angaben der Wissenschaftler sind die Minikäfige bei Raumtemperatur stabil und behalten ihre Form, solange sie nicht mit einer Oberfläche in Berührung kommen. Sie vermuten außerdem, dass sich eine ganze Reihe anderer Atome in den Hohlräumen der Käfige einschließen lassen und möglicherweise deren Eigenschaften beeinflussen - eine These, die die Forscher nun überprüfen wollen.

stx/ddp



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