Erstmals wurde ein nur ein Atom dickes Goldene hergestellt. Wie schwierig ist es, zweidimensionale Materialien herzustellen?

Autor: Chen Jiajun

Ich glaube, viele Menschen haben schon von Graphen gehört, einem zweidimensionalen Material, das aus Kohlenstoffatomen besteht und nur ein Atom dick ist. Seit Graphen im Jahr 2004 entdeckt wurde, hat es aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften große Aufmerksamkeit erregt. Dies inspirierte Wissenschaftler auch dazu, andere zweidimensionale Materialien zu erforschen. Am 16. April 2024 gab eine neue Studie in der Zeitschrift Nature Synthesis bekannt, dass die Familie der zweidimensionalen Materialien ein neues Schwergewicht begrüßt hat – Goldenen. Dies ist das erste Mal, dass es Forschern gelungen ist, eine zweidimensionale Goldschicht herzustellen, die nur eine Atomschicht dick ist.

Warum ist es so schwierig, ein zweidimensionales Material wie Goldene herzustellen, das nur aus Metall besteht? Dies liegt daran, dass Metallatome eher dazu neigen, sich zu Klumpen zusammenzuballen und dreidimensionale Nanopartikel zu bilden, als stabile zweidimensionale monoatomare Schichten zu bilden. Diese Eigenschaft stellt für Wissenschaftler eine große Herausforderung dar, insbesondere bei Experimenten mit Edelmetallen wie Gold, bei denen die Kontrolle der Atomanordnung noch schwieriger wird.

Das Forschungsteam begann mit einem leitfähigen Keramikmaterial namens Titansiliziumkarbid (Ti₃SiC₂). Das Material weist eine gute elektrische Leitfähigkeit auf und hat eine Schichtstruktur, die aus einer Siliziumschicht zwischen Titankarbidschichten besteht. Als die Forscher die Oberfläche dieses Materials mit einer Goldschicht bedeckten und sie zum Erhitzen hohen Temperaturen aussetzten, trat ein unerwartetes Phänomen auf: Die Siliziumschicht wurde durch Goldatome ersetzt, wodurch ein völlig neues Material entstand – Titangoldcarbid ( Ti₃ AuC₂ ). Dieses Phänomen wird Interkalation genannt.

Abbildung: Das Silizium in Titansiliziumkarbid (Ti₃SiC₂) wird durch Gold ersetzt, wodurch Titangoldkarbid (Ti₃AuC₂) entsteht.

Obwohl Forscher seit mehreren Jahren versuchen, die Goldschicht von Titankarbid zu entfernen, ist ihnen dies bisher nicht gelungen. Durch Zufall fiel den Forschern eine Methode auf, die in der japanischen Schmiedekunst seit über hundert Jahren angewendet wird. Bei dieser Methode wird eine Chemikalie namens Murakamis Reagenz verwendet, die während des Messerherstellungsprozesses Kohlenstoffrückstände wegätzt und die Farbe des Stahls verändert.

Dies brachte die Forscher auf die Idee, dieses Reagenz zum Ätzen der Ti₃C₂-Schicht in Titancarbid zu verwenden. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, modifizierten die Forscher die Formulierung von Murakamis Reagenz. Sie probierten verschiedene Konzentrationen von Murakamis Reagenz und Ätzzeiten von einem Tag bis zu mehreren Monaten aus. Sie stellten fest, dass das Endergebnis umso besser war, je niedriger die Konzentration und je länger der Ätzvorgang dauerte.

Doch es gibt noch eine weitere Herausforderung: Beim Ätzen entsteht durch Lichteinwirkung Cyanid, das das Gold auflöst. Daher muss der gesamte Vorgang im Dunkeln durchgeführt werden, um die Goldschicht zu schützen.

Nachdem die Goldflocken isoliert waren, mussten die Forscher das Problem lösen, wie die Stabilität der zweidimensionalen Goldflocken aufrechterhalten werden konnte. In Experimenten beobachteten die Forscher, dass die durch Ätzen erzeugten zweidimensionalen Goldflocken dazu neigten, sich zu kräuseln und zu aggregieren. Um dieses Problem zu lösen, fügten sie ein Tensid hinzu, das auf der Oberfläche des Goldenen eine Schutzschicht bildet und so verhindert, dass die Flocken aneinander kleben, sodass der Goldene flach und stabil bleibt.

Schließlich zeigten die Forscher, dass es ihnen gelungen war, eine stabile, einatomig dicke zweidimensionale Goldschicht namens Aureen herzustellen.

Die Entdeckung von Goldene fügt der Familie der zweidimensionalen Materialien nicht nur ein neues Schwergewicht hinzu, sondern eröffnet Wissenschaftlern auch einen neuen Weg zur Erforschung zweidimensionaler Materialien aus Edelmetallen. Was Goldene im Vergleich zu herkömmlichen Goldnanopartikeln einzigartig macht, ist die Tatsache, dass jedes Goldatom nur sechs Nachbaratome hat und nicht die zwölf in dreidimensionalen Kristallen. Diese einzigartige Eigenschaft lässt Forscher auf zukünftige Anwendungen gespannt sein. Ob bei der Umwandlung von Kohlendioxid, der Katalyse der Wasserstoffproduktion, der Wasserreinigung oder der fortschrittlichen Kommunikationstechnologie – diese ein Atom dicke Goldschicht könnte zu einem Kernmaterial für Veränderungen werden.

Es ist wichtig zu beachten, dass Murakamis Reagenz während des Ätzprozesses Eisenverunreinigungen einbringen kann, die die Reinheit und katalytische Leistung von Goldene beeinträchtigen. Daher arbeiten Forscher daran, den Syntheseprozess von Goldene zu optimieren, um seine Stabilität und Produktionseffizienz zu verbessern. Darüber hinaus stellt die Frage, wie die hohe Qualität und Konsistenz von Goldene bei der Produktion im großen Maßstab aufrechterhalten werden kann, ein schwieriges Problem dar, das bei zukünftigen Anwendungen überwunden werden muss.

Vom frühesten Graphen bis zum heutigen Goldene hat uns die Untersuchung zweidimensionaler Materialien gezeigt, wie wir durch die Veränderung der atomaren Anordnungsstruktur des Materials beispiellose neue Eigenschaften freisetzen können. Die erfolgreiche Herstellung von Goldene offenbart nicht nur eine neue Materialform, sondern läutet auch die Geburt zweidimensionalerer Edelmetallmaterialien ein. Während Wissenschaftler weiterhin neue Herstellungsmethoden und Anwendungsszenarien erforschen, wird erwartet, dass Goldene und seine Derivate Durchbrüche in der Umweltschutztechnologie, der sauberen Energie, der Präzisionsmedizin und anderen Bereichen erzielen und uns in eine nachhaltigere und effizientere Zukunft führen.

Link zum Artikel: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.172502

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Chen Jiajun

Gutachter: Mu Yunsong, Direktor der Abteilung für Umweltwissenschaften und -technik, College für Chemie und Lebensressourcen, Renmin-Universität China

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.