Gold: Leichtgewicht mit 18 Karat

Edles Fliegengewicht: Forscher haben eine Goldvariante erzeugt, die extrem leicht und trotzdem stabil und gehaltvoll ist. Dieses Leichtgold lässt sich prägen, polieren und zu Schmuck oder Uhren verarbeiten. Selbst mit 18 Karat wiegt es aber fünf- bis zehnmal weniger als normales Schmuckgold. Möglich wird dies, weil bei diesem Goldmaterial statt anderer Metalllegierungen ein poröses Aerogel den Goldanteil umschließt.

Das Edelmetall Gold ist nicht nur wertvoll, beständig und betört durch seinen besonderen Glanz – es besitzt auch eine sehr hohe Dichte. Ein Kubikzentimeter Gold wiegt gut 19 Gramm. Das aber bedeutet, dass schon ein kleineres Schmuckstück aus Gold einiges wiegt und entsprechend teuer ist.

Im neuen Leichtgold sind Gold-Nanoplättchen in eine Latexmatrix eingebettet. © Stephan Handschin/ ScopeM/ ETH Zürich

Schwimmt sogar auf Milch

Doch es geht auch anders: Schon vor einigen Jahren haben Forscher um Raffaele Mezzenga von der ETH Zürich Gold das leichteste Gold der Welt erzeugt. Dank einer porösen, schaumstoffähnlichen Struktur schwimmen Objekte aus diesem Goldmaterial sogar auf Wasser. Trotzdem ist dieses Gold mit bloßem Auge nicht von massiven, schweren Nuggets zu unterscheiden. Allerdings gab es bei diesem Gold-Aerogel einen Haken: „Das Material war zu wenig stabil und konnte nicht weiterverarbeitet werden“, erklärt Mezzenga.

Jetzt jedoch haben die Forscher ihr Konzept des leichten Goldes weiterentwickelt – und eine Goldvariante erzeugt, die leicht und trotzdem fest ist. Dessen Eigenschaften demonstrieren Mezzenga, Leonie van’t Hag und ihr Team nun mit einer Goldmünze. Sie besteht wie das gängige Schmuckgold aus 18-Karat-Gold und damit zu rund drei Vierteln aus Gold. Während im Schmuckgold aber das fehlende Viertel aus Kupfer besteht, kommt beim neuen Leichtgold ein Hightech-Material zum Tragen.

Gold mit Polymergerüst

Der Clou: Anstelle des metallenen Legierungspartners bildet eine Matrix aus Proteinfasern und einem Latexpolymer das poröse Grundgerüst dieses Leichtgolds. In diese Matrix ist der Goldanteil in Form plättchenartiger Gold-Nanokristalle eingebettet – es entsteht eine Art Gold-Aerogel. „Das Material wird aus einem Hydrogel als Vorstufe erzeugt, das dann in ein Aerogel umgewandelt wird“, erläutern van’t Hag und ihre Kollegen. Diese poröse Matrix enthält zahlreiche winzige Lufteinschlüsse, die das Gewicht weiter reduzieren.

Das Ergebnis ist ein Goldmaterial, dass rein äußerlich dem ganz normalen, massiven Gold gleicht – es ist stabil, lässt sich in beliebige Form bringen und auch durch Prägen oder Polieren bearbeiten. Doch nimmt man es in die Hand, fällt der entscheidende Unterschied auf: Dieses Leichtgold ist fünf- bis zehnmal leichter als sein „normales“ Pendant. Obwohl auch dieses Leichtgold 18 Karat hat, beträgt nur 1,7 Gramm pro Kubikzentimeter, wie die Forscher berichten. „Dieses Gold hat Materialeigenschaften eines Plastiks“, sagt Mezzenga.

Anwendung für Schmuck, Elektronik oder Katalyse

Dieses neue Leichtgold könnte nach Ansicht der Forscher überall dort eingesetzt werden, wo ein gehaltvolles, aber leichtes Gold gewünscht ist. Anwendungsgebiete wären demnach vor allem die Herstellung von Uhren und Schmuck, aber auch die chemische Katalyse, Elektronikanwendungen oder die Abschirmung von radioaktiver Strahlung.

Ein Vorteil dabei: „Die Dichte und Steifigkeit, aber auch die Farbe des Materials können je nach gewünschter Anwendung eingestellt werden“, erklären van’t Hag und ihre Kollegen. Ersetzt man beispielsweise die Gold-Nanoplättchen durch Nanokügelchen, verändern sich Farbe und Schimmer des Materials – es wird violett. Wenn man das Trägermaterial Latex gegen andere Polymere wie Polypropylen austauscht, kann man den Schmelzpunkt des Leichtgolds und seine Formbarkeit beeinflussen.

„Grundsätzlich können wir mit unserem Ansatz fast beliebige Arten von Plastikgold kreieren, je nachdem welche Eigenschaften gefragt sind“, sagt Mezzenga. (Advanced Functional Materials , 2020; doi: 10.1002/adfm.201908458)

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)