Blattgold im Nanomaßstab: Forscher haben erstmals freistehende Goldfolien von nur zwei Atomlagen Dicke hergestellt – es ist damit das dünnste Gold der Welt. Das Spannende daran: Diese Gold-Nanofolien sind zehnfach effektivere Katalysatoren als gängige Gold-Nanopartikel und reagieren ähnlich gut wie biologische Enzyme. Das könnte dieses 2D-Gold zu einem vielversprechenden Helfer in Elektronik, Technik und biomedizinischen Anwendungen machen, wie die Wissenschaftler berichten.
Gold hat schon in seiner normalen Form ungewöhnliche Eigenschaften: Es ist extrem reaktionsträge und beständig, aber dennoch gut formbar und trotzdem stabil. Doch wenn man das Edelmetall bis auf die Größe von Nanopartikeln zerkleinert, zeigt es weitere, sehr nützliche Merkmale: Es wird zu einem effektiven Katalysator, zeigt besondere elektrische Eigenschaften und absorbiert Strahlung. Gold-Nanopartikel werden daher bereits in der Medizin, aber auch in der Chemie und Technik eingesetzt.
2D-Folie statt Nanopartikel
Eine ganz neue Form des Nanogoldes haben nun Sunjie Ye von der University of Leeds und seine Kollegen hergestellt. Sie entwickelten eine Methode, mit der Goldfilme von nur zwei Atomlagen Dicke erzeugt werden können. „2D-Nanomaterialien mit nur einer oder wenigen Atomlagen Dicke haben ein enormes Interesse geweckt“, erklären die Forscher. „Denn aus ihrer verringerten Dimensionalität erwachsen einzigartige elektronische, mechanische und oberflächenspezifische Eigenschaften wie beispielsweise beim Graphen.“
Das Entscheidende dabei ist die große Oberfläche solcher 2D-Materialien. Daher sind besonders solche Dünnfilme begehrt, die nicht flach auf einem Substrat aufliegen, sondern freistehend sind. Das Problem ist allerdings die Produktion solcher freistehender 2D-Gebilde. Denn für das Material ist es meist energetisch günstiger, sich zu dichteren Klumpen zusammenzuballen, statt flache Folien zu bilden.
Methylorange als „Plattmacher“
Ye und sein Team haben jedoch ein Verfahren entwickelt, dass dieses Zusammenballen verhindert. Dafür stellten sie zuerst eine wässrige Lösung von Tetrachlorogoldsäure (HAuCl4) und Natriumcitrat her, die sie nach und nach zu Methylorange dazu gaben. Letzteres fungierte als „Plattmacher“, wie die Forscher erklären: Die flache, ringförmige Struktur dieser Kohlenwasserstoffverbindung hinderte das Gold daran, Klumpen zu bilden und begünstigte stattdessen die Bildung flacher Folien.
Durch Zentrifugation trennten die Forscher die resultierenden Goldschnipsel von der Flüssigkeit und
lösten sie dann erneut in Wasser. Das Ergebnis war eine grünlich-blaue Flüssigkeit, in der unzählige ultradünne Goldfolienstückchen umherschwammen. Diese waren nur 0,48 Nanometer dünn und bestanden aus nur zwei Atomlagen, wie Aufnahmen mit Elektronen- und Rasterkraftmikroskopen belegten. „Diese Gold-Nanofolien repräsentieren damit das erste freistehende 2D-Gold mit Subnanometerdicke“, konstatieren die Forscher.
Effektive Katalysatoren
Erste Tests ergaben: Die Gold-Nanofolien entfalten eine zehnmal effektivere katalytische Aktivität als die herkömmlich eingesetzten Gold-Nanopartikel. „Weil diese Nanofilme so dünn sind, nimmt nahezu jedes Goldatom an der Katalyse teil – das macht diesen Prozess so effizient“, erklärt Yes Kollege Stephen Evans. „Die Industrie könnte den gleichen Effekt mit einer kleineren Goldmenge erreichen – das hat bei einem solche Edelmetall durchaus wirtschaftliche Vorteile.“
Zudem verhalten sich die Gold-Nanofolien bei biochemischen Reaktionen ähnlich wie biologische Enzyme, wie Versuche ergaben. „Besonders spannend ist dabei, dass die Goldfilme eine hohe katalytische Aktivität in dem physiologisch wichtigen pH-Bereich zwischen 5 und 7,4 zeigen“, sagen die Wissenschaftler. „Das wäre für biomedizinische Anwendungen wichtig.“
Ihrer Ansicht nach könnten solche Gold-Nanofolien künftig daher nicht nur in Elektronik und Technik nützlich sein. Sie könnten auch als künstliche Enzyme beispielsweise in medizinischen Diagnose-Tests eingesetzt werden. (Advanced Science, 2019; doi: 10.1002/advs.201900911)
Quelle: University of Leeds
