"Goldenes Nano-Seegras"
Nur zwei Atome dick - das dünnste Gold der Welt
Forscher aus Großbritannien haben hauchdünne Gold-Scheiben hergestellt. Sie bestehen aus nur zwei Reihen Atomen. Wer das braucht? Industrie und Medizin könnten dankbare Abnehmer sein.
2D-Gold: Weil die hauchdünnen Schichten im Wasser grün erscheinen, wurden sie im Bild nachträglich eingefärbt
Foto: University of Leeds
Manche Dinge sind so klein, dass man sie sich kaum vorstellen kann. Das gilt auch für das Gold, das Forscher gerade erzeugt haben. Zwar kann man es in der Fläche gut erkennen, wie die Bilder in diesem Artikel zeigen. Doch geht es um die Dicke des Materials, ist einige Fantasie gefragt.
Die Goldschicht, die Forscher um Sunjie Ye von der University of Leeds in Großbritannien entwickelt haben, ist gerade mal so dick wie zwei Goldatome und misst 0,47 Nanometer. Das Material ist somit eine Million Mal dünner als ein menschlicher Fingernagel. Im Fachmagazin "Advanced Science" schreiben die Chemiker von einer zweidimensionalen Struktur.
Hergestellt wurden die hauchdünnen Goldscheiben aus Tetrachlorogoldsäure, die, wie der Name bereits verrät, Gold enthält. In einer wässrigen Lösung wandelten die Forscher die Säure in Gold um. Ein formgebendes Mittel sorgte dafür, dass sich die Atome zweilagig in Gitterform anordneten.
Gold unter dem Elektronenmikroskop: Atome in strikter Gitteranordnung
Foto: University of Leeds
In der Lösung erscheinen die hauchdünnen Schichten grün, die Forscher bezeichnen ihre Entwicklung deshalb scherzhaft als goldenes Nano-Seegras.
Das Experiment ist jedoch weit mehr als ein Nischenprojekt mit kreativer Produktbezeichnung: Es könnte helfen, bessere und umweltfreundlichere Katalysatoren zu entwickeln. Ein Forschungsfeld, in dem 2018 auch der Chemie-Nobelpreis vergeben wurde (mehr dazu lesen Sie hier).
Materialeinsatz deutlich verringern
Katalysatoren sind mächtige Werkzeuge, die chemische Reaktionen beschleunigen oder überhaupt erst ermöglichen. In der Industrie werden sie breit eingesetzt, etwa um Medikamente oder Kunststoffe herzustellen. Das Problem: Oft enthalten Katalysatoren giftige Schwermetalle, ätzende Säuren oder eben wertvolle Metalle wie Gold.
Das nun entwickelte Nano-Gold könnte dafür sorgen, dass die Industrie künftig deutlich geringere Mengen des wertvollen Metalls benötigt. Denn in der zweilagigen Goldschicht sitzen alle Atome an der Oberfläche und können somit ausnahmslos mit der Umwelt reagieren, was die Nutzung des Materials besonders effizient macht.
"Durch die dünne Nanoschicht ist jedes Goldatom an der Katalyse beteiligt", sagt Studienleiter Stephen Evans. Mit dem 2D-Gold könne die Industrie dadurch mit weniger Material den gleichen Effekt erzielen. Das biete bei wertvollen Metallen einen ökonomischen Vorteil.
Erste Tests haben gezeigt, dass das zweilagige Gold chemische Reaktionen zehnmal schneller umsetzt als die derzeit in der Industrie genutzten Nanopartikel, deren Goldmoleküle größtenteils im Inneren liegen.
Parallelen mit Wunderstoff Graphen
Die Forscher hoffen, dass das Material auch künstliche Enzyme verbessern wird, die eingesetzt werden, um Krankheiten zu diagnostizieren oder Wasser zu reinigen. Noch stehe der Einsatz von 2D-Gold aber am Anfang, räumen die Forscher ein. Bis sich das Material in der Industrie bewährt, könne es noch einige Jahre dauern.
Evans sieht bereits Parallelen zum Wunderstoff Graphen. Es war das erste 2D-Material, das je hergestellt wurde und besteht aus einer hauchdünnen Schicht Kohlenstoff. Für die Entwicklung im Jahr 2004 und die anschließende Forschung erhielten die Wissenschaftler Andre Geim und Konstantin Novoselov sechs Jahre später den Physiknobelpreis (mehr dazu lesen Sie hier).
Einsatz als Katalysator: Das 2D-Gold ist aufgrund seiner Struktur besonders effizient
Foto: University of Leeds
Graphen ist sehr stabil, dünn und kann Strom leiten. Es gilt daher als Wundermaterial. Forscher hoffen, dass es einmal Silicium in elektrischen Transistoren ersetzten kann. Andere träumen davon, aus Graphen einen Fahrstuhl ins All zu entwickeln.
Auf solche Fantasien will sich Evans im Zusammenhang mit dem 2D-Gold aber nicht einlassen: "Wir haben sehr konkrete Vorstellungen, wie man es nutzen könnte. Und wir wissen, dass es effizienter ist als die derzeit eingesetzten Technologien." Die Forscher suchen nun nach Partnern in der Industrie, mit denen sie ihr System weiterentwickeln können.
