Nano-Gold organisiert sich selbst

Überraschung in der Nano-Welt: Goldpartikel ordnen sich von selbst zu kleinen Grüppchen, anstatt sich gleichmäßig in einer Lösung zu verteilen. Voraussetzung dafür ist jedoch ein spezielles Lösungsmittel, berichten deutsche Wissenschaftler. Die auf umweltfreundliche Weise entstehenden Gold-Cluster sind auch vielversprechende Kandidaten für kostengünstige chemische Katalysatoren.

Nanopartikel sind mittlerweile kaum mehr aus verschiedensten Technologien wegzudenken: Sie stecken in Sonnencremes, Kleidung, Küchenutensilien und selbst in Lebensmitteln. Die winzigen Teilchen sollen Medikamente ans Ziel bringen und leistungsfähigere Akkus ermöglichen. Auch für verschiedene chemische Reaktionen könnten sie bedeutende Fortschritte bringen: „Wir sind überzeugt, dass sich solche Nanocluster als günstige Katalysatoren eignen, sei es in Brennstoffzellen, bei der Wasserspaltung mit Sonnenlicht oder für andere technisch wichtige Reaktionen“, erklärt Armin Hoell vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB).

Edelgas-Beschuss produziert Gold-Partikel

Hoell und seine Kollegen haben darum näher erforscht, wie sich Nanopartikel aus Gold herstellen lassen und wie sie sich in bestimmten Lösungsmitteln verhalten. Dazu brachten die Forscher eine Goldfolie über einem Lösungsmittel an und beschossen sie mit geladenen Edelgas-Atomen. Dadurch lösten sich einzelne Goldatome aus der Folie, verteilten sich im Lösungsmittel darunter und bildeten die Nanoteilchen. Die Wissenschaftler vermuteten nun zunächst, dass die Teilchen bei anhaltendem Beschuss der Folie immer weiter wachsen.

Überaschenderweise war dies jedoch nicht der Fall: Bei einem Durchmesser von fünf Nanometern hörten die Teilchen auf zu wachsen. Stattdessen bildete sich mit der Zeit eine immer größere Menge von Nanopartikeln. Diese sorgten dann für die zweite Überraschung: Die Nano-Goldpartikel verteilten sich nicht nur einfach gleichmäßig in der Flüssigkeit, sondern organisierten sich von selbst zu kleinen Grüppchen. Aus bis zu zwölf einzelnen Nanoteilchen konnten diese sogenannten Cluster bestehen. Beobachten und vermessen konnten die Wissenschaftler diese winzigen Gold-Cluster mit Hilfe der Röntgenstreuung.

Elektronenmikroskopische Aufnahme von Gold Nanoteilchen in dem besonderen Lösungsmittel. Bereiche mit selbstangeordneten Nanoteilchen sind rot markiert. © HU Berlin/HZB

Lösungsmittel aus der Landwirtschaft

„Das Besondere an dem neuen Verfahren ist, dass es extrem einfach ist und mit einem umweltfreundlichen und billigen Lösungsmittel funktioniert“, erklärt Klaus Rademann von der Humboldt Universität Berlin. Das Lösungsmittel besteht nämlich aus zwei Pulvern, die man eher in der Landwirtschaft vermuten würde als in einem Forschungslabor: Cholin-Chlorid ist ein vitamin-ähnlicher Hühnerfutterzusatz, und Harnstoff ist dient oft als Dünger. Vor ein paar Jahren entdeckten britische Kollegen, dass die beiden Pulver vermischt eine transparente Flüssigkeit bilden, ein sogenanntes stark eutektisches Lösungsmittel. Dieses ist in der Lage, Metalloxide und Schwermetalle zu lösen.

Dass das besondere Lösungsmittel bei diesem Selbstordnungsprozess eine wichtige Rolle spielt, liegt für die Forscher auf der Hand: verschiedene Wechselwirkungen zwischen den Ionen des Lösungsmittels und den Gold-Partikeln sorgen dafür, dass die Nanopartikel erstens nur wenige tausend Atome stark werden und zweitens sich dann gegenseitig etwas anziehen, allerdings nur schwach, so dass die kleinen Cluster entstehen. „Wir wissen aber, dass solche kleinen Cluster aus Nanopartikeln als Katalysatoren für gewünschte chemische Reaktionen ganz besonders wirkungsvoll sind“, sagt Rademann. „Eine mehrfache Verstärkung der Reaktionsgeschwindigkeit nur aufgrund der Anordnung wurde schon nachgewiesen.“

(Langmuir, 2014; doi: 10.1021/la500979p; Chemical Communications, 2014; doi: 10.1039/C4CC02588A)

(Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH, 04.08.2014 – AKR)