Wenn Gold winzige Pyramiden bildet

Ungewöhnliche Form: Anders als viele andere Elemente bildet Gold im Nanomaßstab winzige dreieckige Pyramiden – ganz von selbst. Diese Tetraeder aus 20 Goldatomen entstehen, wenn Gold im Vakuum Cluster bildet. Wie diese Tetraeder im Einzelnen aussehen und warum sie sich bilden, haben nun Forscher erstmals im Detail beobachtet und untersucht. Spannend ist dies deshalb, weil diese Goldpyramiden besondere physikalische Eigenschaften besitzen.

Gold ist schon im Normalzustand ein ungewöhnliches Element, im Nanomaßstab jedoch zeigt es noch weitere exotische und nützliche Merkmale. So wandeln sich Gold-Nanokügelchen zu effektiven Strahlungsabsorbern, die sie zu Katalysatoren, Heizelementen und potenziellen Medizinhelfern machen. Zudem haben Gold-Atome in Lösung die Tendenz, sich selbstorganisiert zu ganz unterschiedlichen Formen zusammenzulagern.

Türmchen mit dreieckiger Grundfläche

Eine Besonderheit dabei: Während sich die meisten Elemente im Nanomaßstab zu kugelförmigen Gebilden zusammenlagern, bildet Gold unter bestimmten Bedingungen winzige Gold-Tetraeder – sich nach oben verjüngende Pyramiden mit dreieckiger Grundfläche, die aus 20 Goldatomen bestehen. „Diese im Hochvakuum entstehenden Goldpyramiden entfalten interessante Eigenschaften wie eine hohe katalytische Reaktivität und intensive Fluoreszenz“, erklären Zhe Li vom Harbin Institut für Technologie in Shenzhen und seine Kollegen.

Doch obwohl sich diese Goldpyramiden relativ leicht erzeugen lassen, wurden sie bislang kaum näher untersucht. So war bislang auch unklar, ob diese Nano-Pyramiden auch auf festen Oberflächen entstehen können und bestehen bleiben. Li und sein Team ist es nun erstmals gelungen, die goldenen Nano-Tetraeder im Detail mittels Rastertunnelmikroskop und Rastertunnel-Spektroskopie abzubilden und zu untersuchen.

Volle Elektronenorbitale

Für ihr Experiment erzeugten die Forscher zunächst im Hochvakuum einen Strahl von Gold-Nanoclustern. Aus diesem selektierten sie diejenigen Goldcluster, die aus genau 20 Goldatomen bestanden und deponierten diese auf einer drei Atomlagen dicken Kochsalz-Oberfläche. Die Aufnahmen mit dem Rastertunnelmikroskop zeigten, dass die Goldcluster dabei ihre Tetraederform beibehielten.

Das Besondere dabei: Wie die spektroskopischen Messungen enthüllten, ist diese Pyramiden-Konfiguration für die Goldatome ein energetisch besonders günstiger und stabiler Zustand. Denn durch ihre dichte Anordnung erhalten dabei alle Atome vollständig gefüllte Elektronenorbitale – ähnlich einem Edelgas oder den Atomen in ringförmigen Kohlenwasserstoffverbindungen.

Von der Pyramide zur Kugel

In ihrem Experiment konnten die Forscher zudem erstmals beobachten, wie die Gold-Tetraeder zu größeren Clustern zusammenwachsen. „Bei der Cluster-Agglomeration kennt man zwei gängige Mechanismen – die Ostwald- und die Smoluchowski-Reifung“, erklären Li und sein Team. Bei der Ostwald-Reifung „stehlen“ größere Cluster einzelne Atome von ihren kleineren Nachbarn und wachsen so allmählich heran. Bei der Smoluchowski-Reifung verschmelzen dagegen ganze Cluster zu größeren Gebilden.

Im Falle der Goldpyramiden beobachteten die Wissenschaftler, dass die Clusterbildung in klar abgegrenzten Stufen voranschritt: Nachdem zunächst nur die 20-atomigen Goldpyramiden vorhanden waren, traten nach und nach immer mehr Gebilde aus 40 und 60 Atomen auf, aber kaum Zwischenstufen. Li und sein Team werten dies als klaren Hinweis auf eine Smoluchowski-Reifung: Wenn sie wachsen, verschmelzen ganze Goldpyramiden miteinander und wandeln sich dabei allmählich zu kugelförmigen Goldklümpchen.

„Die Morphologie, Größenverteilung und elektronische Struktur solcher Goldcluster zu verstehen ist wichtig, um ihre katalytischen und optischen Eigenschaften einzuschätzen“, konstatieren Li und seine Kollegen. (Science Advances, 2019; doi: 10.1126/sciadv.aay4289)

Quelle: KU Leuven