Mithilfe von Ionenbeschuss und Goldbedampfen haben Wissenschaftler eine neue Familie von Partikeln hergestellt, deren Bindungsverhalten sich chemisch maßschneidern lässt. Die Entdeckung könnte beispielsweise neue Lacke hervorbringen, die ihre Farbe mit der Temperatur verändern, trägt aber auch dazu bei, die Dynamik von Festkörpern und Molekülen besser erforschen zu können.
Dass die Fingernägel von Frauen oder teure Autos heute wie Opale in vielen Farben schillern können, liegt an den Fortschritten der „Kolloidchemie“, der Chemie kleiner Partikel: Die bunten Farben in modernen Lacken werden dadurch hervorgerufen, dass das Licht an Schichten aus regelmäßig angeordneten kolloidalen Teilchen reflektiert wird. Dabei werden einzelne Farben ausgelöscht oder verstärkt; die Dicke der Schichten – die so genannte „Gitterkonstante“ – ist entscheidend für die Farbe. Weil sich Kugelform und Oberfläche der Teilchen heute maßschneidern lassen, kann man optimierte Kristalle mit den gewünschten Gitterkonstanten im Bereich des sichtbaren Lichtes herstellen.
Goldschicht für “Hanteln“ im Raum
Doch Kolloide können noch viel mehr: Sie sind auch interessante Modellsysteme für die Festkörperphysik, denn das Bindungsverhalten der relativ großen Partikel lässt sich mit dem der viel kleineren Atome vergleichen. Weil sie langsamer reagieren als Atome, kann man an ihnen Prozesse aus der Festkörperphysik beobachten und durchspielen. Problem: Atome sind – anders als die meisten Partikel – in der Regel nicht kugelsymmetrisch, sondern besitzen verformte „Orbitale“, die wie Hanteln oder Ovale in den Raum ragen.
Das Forscherteam am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung um Dayang Wang bemüht sich daher, Partikel herzustellen, die nicht kugelsymmetrisch mit ihren Nachbarn wechselwirken. Dazu platzierten sie einen Kolloid-Kristall auf einer ebenen Oberfläche. Durch Beschuss mit reaktiven Ionen reduzierten sie die Größe der Partikel der oberen Lagen gezielt und erweiterten die freien Flächen zwischen den Kolloiden.
Anschließend bedampften sie den Kristall mit Gold. Dabei gelangte ein kleiner Teil des Goldes durch die Lücken der oberen Schichten wie durch eine Maske bis auf die unteren Schichten. So ließen sich Beschichtungsmuster verschiedener Symmetrie und Größe im Nanometerbereich herstellen. Zur Überraschung der Wissenschaftler lagerte sich aber auch in den tieferen Schichten auf der Unterseite der Partikel Gold an.
Kolloid-Baukasten um Goldpartikel erweitert
Seit Jahren kennt die Chemie viele Methoden, um Gold gezielt in Reaktionen einzusetzen, zum Beispiel zum Anheften ganz bestimmter Moleküle. Daher erweitern die teilweise mit Gold belegten Partikel nun den Baukasten an „kolloidalen Atomen“. Die Chemiker hoffen, damit in Zukunft „kolloidale Moleküle“ aufbauen oder neuartige kolloidale Kristalle herstellen zu können.
Für die Grundlagenforschung eröffnet sich hier ein interessantes Feld für das Studium der Dynamik bei komplexen Wechselwirkungen von Festkörpern und Molekülen. Und auch für die Farbenchemie ergeben sich neue Ausblicke: Neue, schillernde Farben, die sich zum Beispiel mit der Umgebungstemperatur oder der Luftfeuchtigkeit ändern, sind keine Utopie mehr. Langfristig am attraktivsten erscheint jedoch die Anwendung in der optischen Datenverarbeitung.
(MPG, 02.12.2005 – NPO)
