Einige olympische Goldmedaillen sind kahl geworden ... Wie viele Möglichkeiten gibt es, eine Silbermedaille zu vergolden?

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Zhang Hao (Universität Osaka)

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Am Abend des 23. August fragte Zhu Xueying, die Trampolinmeisterin der Frauen bei den Olympischen Spielen in Tokio, auf einer Social-Media-Plattform: „Können Ihre Medaillen … auch abgezogen werden?“

Bei der betreffenden Goldmedaille ist oben links deutlich eine abblätternde Stelle zu sehen (Fotoquelle: Zhu Xueyings Weibo).

Das beigefügte Bild zeigt die Goldmedaille, die sie bei den Olympischen Spielen in Tokio gewonnen hat. Auf der Goldmedaille befindet sich ein Bereich „kahler Haut“ in der Größe eines Zehncentstücks, der mit bloßem Auge deutlich zu erkennen ist. Zhu Xueying erklärte, dass sie die Goldmedaille nicht absichtlich zerkratzt habe, sondern dass ihr ein kleines Stückchen fehlte und sie dachte, die Medaille sei schmutzig. Sie rieb mit der Hand daran, aber es änderte sich nichts. Sie kratzte erneut daran und plötzlich fiel die Haut ab.

Heute werden wir nicht zu sehr auf die Gründe eingehen, warum die Goldmedaille eine „kahle Haut“ hat, sondern hauptsächlich über den Herstellungsprozess der olympischen Goldmedaille von Tokio sprechen.

Die Medaillen werden aus recycelten Materialien aus Tausenden von Haushalten hergestellt

Laut einer öffentlichen Information des Olympischen Organisationskomitees von Tokio wurden die drei Metalle Gold, Silber und Kupfer, die für die Medaillen der Olympischen Spiele in Tokio verwendet wurden, allesamt aus weggeworfenen Mobiltelefonen und anderen elektronischen Geräten gewonnen.

Von April 2017 bis März 2019 startete das Organisationskomitee der Olympischen Spiele in Tokio in ganz Japan eine Kampagne mit dem Titel „Made in Urban Mines, Everyone's Medals“. Im Rahmen der Kampagne wurden fast 80.000 Tonnen kleiner Haushaltsgeräte recycelt. Letztendlich gewann das Projekt 32 Kilogramm Gold, 3.500 Kilogramm Silber und 2.200 Kilogramm Bronze und deckte damit den Bedarf an 5.000 Medaillen für die Olympischen und Paralympischen Spiele.

Gebrauchte Handys (Fotoquelle: twenty20.com)

Die zurückgewonnenen Metalle werden gereinigt und raffiniert, dann in ihren elementaren Rohmaterialzustand reduziert und anschließend mechanisch in Stücke geschnitten, die annähernd die Größe der endgültigen Medaille haben.

Anschließend wurden im Kaltpressverfahren auf beiden Seiten der Medaille das Bild der Siegesgöttin Nike und der olympischen Ringe geprägt.

Die olympische Silbermedaille besteht aus reinem Silber, die Bronzemedaille aus Bronze (95 % Kupfer, 5 % Zinn) und die Goldmedaille besteht aus Silber als Basis mit einer auf die Oberfläche aufplattierten Goldschicht. Das Gewicht dieser vergoldeten Schicht beträgt 6 Gramm. Aufgrund der unterschiedlichen Medaillenkonstruktion ergeben sich auch unterschiedliche Verfahren für Silber-, Bronze- und Goldmedaillen.

Silber- und Bronzemedaillen benötigen nach dem Kaltpressvorgang lediglich eine Wärmebehandlung und Oberflächenpolitur, bevor sie als fertige Produkte ausgeliefert werden können. Die Goldmedaille ist etwas Besonderes und erfordert einen weiteren Beschichtungsprozess auf der Basis.

Kunsthandwerk aus Elektronikschrott (Fotoquelle: twenty20.com)

Wie viele Möglichkeiten gibt es, eine Goldmedaille zu vergolden?

Es gibt viele Technologien, um eine Metallschicht an einer anderen Oberfläche zu haften. In der Industrie werden die galvanische und die chemische Beschichtung am häufigsten eingesetzt. Darüber hinaus ist auch das Magnetronsputtern ein gängiges Verfahren.

Beim Galvanisieren wird elektrischer Strom verwendet, um Metallionen in einer Lösung so anzutreiben, dass sie an der Oberfläche haften, auf der sie abgeschieden werden sollen. Vor dem Beschichten muss das Substrat mehreren Reinigungsprozessen unterzogen werden, um Verunreinigungen wie Öl und Oxide auf der Oberfläche zu entfernen.

Bevor das Substratmetall tatsächlich in den endgültigen Galvanisierungstank gelangt, sollte seine Oberfläche sehr sauber sein. Bei diesem Vorgang sind die an der Oberfläche freiliegenden frischen Substratatome hochaktiv und müssen sich unbedingt mit anderen Substanzen verbinden, um die Oberflächenenergie zu verringern, denn nur so können sie einen stabileren Zustand erreichen. Dabei drückt der elektrische Strom die heterogenen Metallionen in der Lösung an die Oberfläche des Substrats, wo sie zu einer einzigen Substanz reduziert werden und sich auch fest mit dem Substratmetall verbinden können. Für Laien lässt sich der Galvanisierungsprozess so verstehen, dass zwei Metalle miteinander verwachsen.

Die größte Einschränkung bei der Galvanisierung besteht darin, dass das Substrat Strom leiten kann. Zweitens sind die durch Galvanisieren erreichbaren Beschichtungs-/Substratkombinationen tatsächlich begrenzt und viele Metalle können durch Galvanisieren nicht beschichtet werden. Darüber hinaus können viele Metalle nur auf bestimmten, mit ihnen kompatiblen Metalloberflächen plattiert werden. Bei einem Wechsel des Untergrundes verringert sich der Effekt deutlich.

Verchromtes Geschirr behält seinen Glanz lange (Bildquelle: twenty20.com)

Die chemische Beschichtung ist nicht auf das Material des Substrats beschränkt. Auch die chemische Beschichtung ist ein in der Industrie häufig verwendetes Verfahren zur Metallbeschichtung. Solange das Substrat in eine Lösung eingetaucht ist, die Ionen des Beschichtungselements enthält, werden die Ionen unter bestimmten Reaktionsbedingungen auf der Oberfläche des Substrats abgelagert. Dies unterscheidet sich von der Galvanisierung, da bei der chemischen Beschichtung kein Stromantrieb erforderlich ist.

Wenn wir beispielsweise einen Eisenstab in eine Kupfersulfatlösung einführen, werden Kupferionen auf der Oberfläche des Eisens abgeschieden, während Eisen in Form von Ionen in die Lösung gelangt. Nach einiger Zeit bildet sich auf der Oberfläche der Eisenstange eine gleichmäßige Kupferbeschichtung.

Darüber hinaus kann die Silberspiegelreaktion auch als chemisches Beschichtungsverfahren angesehen werden.

Der größte Vorteil der chemischen Beschichtung besteht darin, dass das Substrat für die Beschichtung nicht leitfähig sein muss. Beispielsweise können Kunststoff-, Glas- und sogar Silizium-Wafer chemisch plattiert werden, um eine dichte Beschichtung darauf zu bilden. Wenn Sie beispielsweise eine glänzende Chromdekorschicht auf die Kunststoffoberfläche galvanisieren möchten, können Sie durch chemisches Galvanisieren zunächst nur eine Metallschicht auf die Kunststoffoberfläche auftragen, um auf dieser Basis die Galvanisierung durchführen zu können.

Durch chemische Beschichtung verarbeitete vernickelte Teile (Bildquelle: AliceLr)

Viele Arten von Beschichtungen können entweder chemisch oder durch Galvanisieren erfolgen. Beispielsweise können Versilberungen und Vergoldungen mit den beiden oben genannten Methoden hergestellt werden. Allerdings bestehen immer noch große Unterschiede in den Eigenschaften von chemischen und galvanischen Beschichtungen, und die spezifischen Prozessbedingungen wirken sich stark auf die Eigenschaften der Beschichtungen aus.

Der größte Vorteil der Galvanisierung im Vergleich zur chemischen Beschichtung liegt in ihrer hohen Effizienz und darin, dass die Beschichtung sehr schnell wachsen kann. Allerdings muss bei der chemischen Beschichtung die Reaktionsgeschwindigkeit kontrolliert werden und darf nicht zu schnell sein, da sonst verschiedene Beschichtungsdefekte auftreten.

Integrierte Leiterplatten müssen oft versilbert oder vergoldet werden, aber integrierte Leiterplatten bestehen im Allgemeinen aus Harz und können keinen Strom leiten. Daher wird in der Fabrik zunächst eine chemische Beschichtung durchgeführt, um eine Schicht Palladium auf die Stellen auf der Leiterplatte aufzutragen, die beschichtet werden müssen. Diese Palladiumschicht kann nur wenige Dutzend Nanometer dick sein. Sie sind dicht angeordnet und weisen eine hohe Festigkeit auf. Sie können eine Leiterschicht für den nachfolgenden Galvanisierungsprozess bereitstellen. Daher wird diese Palladiumschicht oft als Keimschicht bezeichnet. Mit der Keimschicht kann der nachfolgende Prozess der galvanischen Vergoldung bzw. Versilberung durchgeführt werden.

Warum werden eigentlich große Mengen an Gold-, Silber- und Kupfermaterialien auf Leiterplatten benötigt?

Zunächst einmal kann Gold eine gute Antioxidationsfunktion haben. Beim Hochtemperaturschweißen lässt es sich gut mit flüssigem Lot infiltrieren und so hochwertige Lötverbindungen erzielen.

Silber, ein Metall mit extrem hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, wird häufig als Draht und Verbindungsstück in Leiterplatten verwendet.

Kupfer ist relativ billig und weist eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit auf, weshalb es häufig als Substrat für die leitfähigen Teile von Leiterplatten verwendet wird. Dies ist auch der Grund, warum aus der großen Zahl gebrauchter Mobiltelefone, die bei den Olympischen Spielen in Tokio recycelt werden, Edelmetalle hergestellt werden können, die für die Herstellung von Medaillen benötigt werden.

Leiterplatten enthalten viel Gold, Silber und Kupfer (Bildquelle: twenty20.com)

Zur Herstellung hochreiner Beschichtungen ist ausschließlich das Magnetronsputtern geeignet. Das Prinzip des Magnetronsputterns unterscheidet sich vom galvanischen und chemischen Plattieren. Beim Magnetronsputtern werden die Atome auf der Oberfläche des Zielmaterials mithilfe eines elektrischen Hochspannungsfelds ionisiert und die Oberfläche des zu beschichtenden Substrats in Form eines Plasmas bombardiert, wodurch eine Beschichtung entsteht, die fest mit dem Substrat verbunden ist.

Wenn wir eine Silberplatte mit Gold überziehen möchten, verwenden wir Gold als Ziel. Der Vorteil des Magnetronsputterns gegenüber der Galvanisierung liegt in der sehr hohen Reinheit. Die Metalltargets bestehen alle aus hochreinen Metallen und der Prozess wird in einer Hochvakuumkammer durchgeführt, in der nahezu keine Verunreinigungen entstehen.

Aber Galvanisieren ist anders. Die Umgebung des Galvaniktanks ist komplex und besteht aus einem Mischsystem verschiedener anorganischer Salze und organischer Stoffe. Die Beschichtung enthält oft eine große Anzahl von Einschlüssen. Diese Einschlüsse werden im Verlauf des Beschichtungsprozesses in die Beschichtung eingemischt und können nicht entfernt werden.

Das Magnetronsputtern hat noch einen weiteren Vorteil: Anders als bei der Galvanisierung gibt es viele nicht realisierbare Kombinationen. Grundsätzlich gilt: Solange das Material zu einem Zielmaterial verarbeitet werden kann, lässt es sich gut auf das Substrat plattieren und die Bedingungen für die Kombination der Metallkategorien sind nicht so streng.

Natürlich sind die Reaktionsbedingungen umgekehrt. Magnetronsputtern erfordert eine Hochvakuumumgebung und die Kosten sind offensichtlich viel höher als bei der Galvanisierung. Der Beschichtungstank kann mehrere zehn Meter lang und mehrere Meter breit sein, die Magnetron-Sputterkammer ist jedoch durch das Vakuumniveau begrenzt und es ist schwierig, sie so groß zu machen. Selbst die Kammer von Geräten in Industriequalität ist möglicherweise nur so groß wie die Trommel Ihrer Waschmaschine.

Magnetronsputtern. Das violette Licht im Bild ist das Plasma über dem Ziel (Bildquelle: vom Autor aufgenommen)

Warum glaube ich, dass die Goldmedaillen bei den Olympischen Spielen in Tokio mithilfe der Galvanotechnik hergestellt wurden?

Da es mindestens drei Methoden gibt, welche Methode wurde bei den Olympischen Spielen in Tokio zum Vergolden der Silbermedaille verwendet?

Nach der Analyse denke ich, dass es „Galvanisieren“ heißen sollte.

Warum sagst du das?

Die Goldauflage der Goldmedaillen dieser Olympischen Spiele beträgt 6 Gramm (entsprechend den IOC-Bestimmungen zu Goldmedaillenspezifikationen). Die Dichte von Gold beträgt 19,32 Gramm pro Kubikzentimeter. Auf dieser Grundlage können wir berechnen, dass das Gesamtvolumen der vergoldeten Schicht 0,31 Kubikzentimeter beträgt. Die Medaillengröße beträgt 8,5 cm im Durchmesser und die Gesamtfläche der beiden Oberflächen der Medaille beträgt 113,43 Quadratzentimeter. Daher beträgt die durchschnittliche Dicke der Goldplattierungsschicht etwa 27 Mikrometer.

Diese Zahl mag nicht groß erscheinen, übersteigt aber tatsächlich die Verarbeitungsgrenzen der chemischen Beschichtung und des Magnetronsputterns, da die Beschichtungswachstumsrate bei diesen beiden Verfahren nur etwa 1 Mikrometer pro Stunde beträgt. Das Galvanisieren einer 27 Mikron dicken Beschichtung dauert nur wenige zehn Minuten, was einen Vorteil hinsichtlich der Produktionseffizienz bietet und im Vergleich zu den beiden anderen Methoden die geringsten Kosten verursacht.

Nach dem „Vorfall mit der kahlen Haut bei der Goldmedaille“ erkannte der Autor durch die obigen Analysen und Berechnungen, dass das Beschichtungsverfahren für die Goldmedaillen der Olympischen Spiele in Tokio nur Galvanisierung sein kann.

Dies wird auch durch Beweise im vom Olympischen Komitee veröffentlichten Werbevideo gestützt.

Der Galvanisierungsprozess der Goldmedaille (beachten Sie die drei Stromkontakte) (Bildquelle: offizielles YouTube-Video des IOC)

Ob Galvanisieren, chemisches Plattieren oder Magnetronsputtern – es handelt sich bei allen um ausgereifte Technologien zur Metallbeschichtung, die der Mensch seit vielen Jahren nutzt. Solange der Prozessfluss stark genug ist, kommt es im Allgemeinen nicht zu einer schlechten Beschichtung. Die Fugen der Beschichtungen sind in den meisten Fällen äußerst belastbar. Selbst wenn die Schnittstelle bricht, geschieht dies häufig auf der Seite in der Nähe einer Metallschicht und nicht, indem sich die Schnittstelle auf ihrer gesamten Länge ablöst.

Die galvanische Beschichtung von Silber mit Gold ist eines der ältesten Galvanisierungsverfahren. Dies liegt daran, dass Gold ein seltenes und wertvolles Metall mit stabilen Eigenschaften ist und in Elektrolytlösungen dazu neigt, reduziert zu werden. Andererseits haben Silber und Gold ähnliche Kristallstrukturen und ähnliche Atomgrößen, sodass sie sich „Gleiches in Gleichem auflösen“ können.

Tatsächlich kann der Zusammensetzungsanteil einer Gold-Silber-Legierung zwischen 1 % und 100 % liegen, ein Phänomen, das als unendliche feste Lösung bezeichnet wird. In diesem Sinne ist das Vergolden der Silberoberfläche kein schwieriger Prozess. Da es sich jedoch um einen Prozess handelt, gibt es definitiv Probleme hinsichtlich der Rationalität der Parametereinstellungen und des Ertrags.

Unabhängig von der Ursache dieses Vorfalls möchte ich als in der Fertigungsindustrie tätiger Mensch mir und meinen Kollegen sagen, dass wir nur durch ein verbessertes Qualitätsbewusstsein Produkte liefern können, die den Test der Zeit bestehen.