Nur ein Atom: Forschungsteam erzeugt die dünnste Goldschicht der Welt

Gold ist nicht nur wegen seiner Seltenheit besonders wertvoll, sondern verfügt auch über besondere Eigenschaften: Es ist sehr beständig, reaktionsscheu sowie gut formbar und dabei trotzdem stabil. Wenn Gold als Nanopartikel vorliegt, entfaltet es weitere Fähigkeiten. Es kann etwa fast jede Strahlung aufnehmen, Kohlendioxid umwandeln oder als Katalysator in der Wasserstoffherstellung verwendet werden. Chemiker:innen gelang es nun erstmals, eine nur zweidimensionale Goldschicht aus einer einzigen Lage von Goldatomen zu erzeugen. Diese Schicht weist ähnlich wie Graphen neue Eigenschaften auf.

Entdeckung aus Zufall

„Wenn man ein Material extrem dünn macht, passiert etwas Außergewöhnliches – wie beim Graphen. Das gleiche ist beim Gold der Fall. Obwohl Gold normalerweise ein Metall ist, kann eine einlagige Goldatomschicht beispielsweise zum Halbleiter werden„, erklärt Shun Kashiwaya von der Universität Linköping in Schweden. Bisher gelang es jedoch nicht, eine solche nur eine Atomlage dünne Schicht aus Gold zu erzeugen, da Goldatome gerne zusammenklumpen. 2019 wurde eine zwei Atomlagen dicke Goldfolie erzeugt, aber eine dünnere Goldschicht existierte bisher nicht. Analog zum zweidimensionalen Kohlenstoffgitters des Graphens wird eine solche dünne Goldschicht „Golden“ genannt.

Und nun existiert solch eine Golden-Schicht. Entdeckt wurde es von dem Team rund um Kashiwaya, und zwar aus Zufall. „Wir hatten das Ausgangsmaterial eigentlich mit einem ganz anderen Ziel erstellt„, erklärt Lars Hultman von der Universität Linköping, der an dem Paper beteiligt war. Die Forscher:innen wollten Siliciumcarbid in Kombination mit Titan für eine elektrisch leitfähige Keramik verwenden. Dabei sollte das Siliziumcarbid mit Gold beschichtet werden, um eine Kontaktfläche zu schaffen. „Aber als wir dann diese Kombination höheren Temperaturen aussetzten, wurde die Siliciumschicht im Inneren des Materials durch Gold ersetzt„, so Hultman. Dabei entstand dann eine Goldschicht, die nur ein Atom dick war und zwischen zwei Titanschichten lag.

Inspiration von japanischen Schmieden

Die nächste Herausforderung war dann, diese Goldschicht aus der Titan-Kohlenstoff-Umhüllung auszulösen. Dabei kam eine über hundert Jahre alte japanische Schmiedetechnik zum Einsatz, bei der ein spezielles Ätzmittel verwendet wird, um Kohlenstoffreste am Stahl von Klingen wegzuätzen. Bei dieser Technik kommt das sogenannte Murakami-Reagenz zum Einsatz, das aus einer Mischung aus Kaliumferricyanid und Kaliumhydroxid besteht.

„Ich versuchte verschiedene Konzentrationen der Murakami-Reagenz und ließ sie unterschiedlich lange einwirken – Tage, Wochen oder Monate. Wir stellten dabei fest, dass das Ergebnis umso besser war, je länger der Ätzprozess andauerte und je schwächer die Konzentration der Lösung war„, so Kashiwaya. Um die Goldschicht auszulösen, musste die Ätzreaktion dann in völliger Dunkelheit stattfinden. Nur unter diesen Bedingungen löste sich das Gold nicht mit auf.

„Das Golden schwimmt in der Lösung, ein wenig wie Cornflakes in der Milch. Mit einer Art Sieb können wir dann die Goldschichten einfangen und mithilfe eines Elektronenmikroskops untersuchen. Das bestätigte uns, dass wir es tatsächlich geschafft hatten„, so Kashiwaya.

Dünnste Goldfolie der Welt

Den Forscher:innen gelang damit eine Premiere: Erstmals konnten sie eine Goldfolie herstellen, die nur eine Atomlage dick ist. Diese Folie stabilisierten sie dann mit einem langkettigen Tensid. „Zwar zeigen ab-initio-Simulationen, dass zweidimensionales Golden im Prinzip stabil ist, aber im Experiment zeigen sich Wellungen und eine Agglomeration, die aber durch dieses Tensid verhindert werden kann„, schreiben die Forscher:innen.

Ähnlich wie beim Graphen könnten sich nun auch beim Golden ungewöhnliche Eigenschaften zeigen, etwa die Zerlegung von CO2 und seine Umwandlung in andere Moleküle sowie die katalytische Erzeugung von Wasserstoff durch die Spaltung von Ameisensäure oder Wasser. Golden könnte auch in der Wasserreinigung, der Elektronik sowie in anderen Bereichen zum Einsatz kommen.

via Linköping University