Diese Goldschicht ist nur ein Atom dünn: „Goldene“ könnte die Materialtechnologie revolutionieren

Forscher der Universität Linköping haben es geschafft, eine Goldschicht herzustellen, die nur ein nur ein Atom dünn ist. Sie nannten sie „Goldene“. Bislang waren viele Wissenschaftler an dieser Herausforderung gescheitert, da Gold normalerweise dazu neigt, zu klumpen. Shun Kashiwaya und Lars Hultman bedienten sich einer hundert Jahre alten Methode, die ursprünglich von japanischen Schmieden verwendet wurde.

Shun Kashiwaya erläutert: „Wenn man ein Material extrem dünn macht, passiert etwas Außergewöhnliches – wie bei Graphen. Das Gleiche geschieht mit Gold. Obwohl Gold normalerweise ein Metall ist, kann es als einzelne Atomlage zu einem Halbleiter werden.“

Zufällige Entdeckung führt zu bahnbrechender Halbleiterschicht

Um „Goldene“ zu kreieren, nutzten die Forscher ein dreidimensionales Basismaterial, in dem Gold zwischen Schichten aus Titan und Kohlenstoff eingebettet ist. Lars Hultman, Professor für Dünnschichtphysik an der Universität Linköping, erklärt, dass ein Teil des Fortschritts allerdings dem Zufall zu verdanken ist. „Wir hatten das Basismaterial ursprünglich für ganz andere Anwendungen entwickelt. Ausgangspunkt war ein elektrisch leitfähiges Keramikmaterial namens Titansiliziumkarbid, in dem Silizium in dünnen Schichten vorkommt. Dann kam die Idee auf, das Material mit Gold zu beschichten, um eine Kontaktfläche zu schaffen. Als wir jedoch das Bauteil hohen Temperaturen aussetzten, wurde die Siliziumschicht durch Gold verdrängt“, so Hultman.

Die Ergebnisse ihrer Studie wurden nun in „Nature Synthesis“ veröffentlicht. Diese Entdeckung könnte die Anwendungsmöglichkeiten von Gold in zahlreichen High-Tech-Bereichen von der Elektronik bis zur Medizin grundlegend verändern.

Innovativer Durchbruch in der Materialforschung

Shun Kashiwaya erklärt, dass sein Team eine nasschemische Technik verwendet hat, um einzelne Goldatome aus einer vorstrukturierten Ti3AuC2 MAX-Phase zu isolieren. Die Forscher griffen dabei auf die sogenannte Murakami-Reagenz zurück. Die spezielle chemische Lösung wird vor allem in der Metallverarbeitung eingesetzt, um Kohlenstoff zu entfernen und Stahl zu färben. Diese Behandlung erzeugt die charakteristischen, oft sehr kunstvollen Muster, die man auf einigen japanischen Messern sehen kann.

„Unser Ansatz ist nicht nur effizient, sondern vermeidet auch den Einsatz von Hydrofluorsäure, was ihn zu einer umweltfreundlicheren Alternative macht“, so Kashiwaya. Diese Methode könnte herkömmliche Verfahren zur Gewinnung von Gold revolutionieren und dabei helfen, den ökologischen Fußabdruck zu minimieren.

Einzigartige Eigenschaften von „Goldene“

Die physikalischen Eigenschaften der neuen Goldschicht sind bemerkenswert. Kashiwaya führt aus: „Die von uns hergestellten „Goldene“-Schichten zeigen eine Gitterkontraktion von etwa 9 Prozent im Vergleich zu gewöhnlichem Gold.“ Diese Veränderung in der Atomstruktur führt zu neuartigen elektronischen und optischen Eigenschaften, die das Potential haben, die Funktionalität von Geräten, in denen sie verwendet werden, erheblich zu verbessern.

Die Stabilität des Materials wurde durch umfassende Ab-initio Molekulardynamiksimulationen bestätigt. Ergänzende Experimente zeigen, dass trotz der Tendenz der Schichten, sich zu kräuseln, eine Stabilisierung durch den Einsatz von Tensiden möglich ist. In der Chemie bezeichnet eine Ab-initio-Synthese das Herstellen einer chemischen Verbindung, indem man von ganz einfachen chemischen Grundstoffen ausgeht.

„Goldene“ öffnet neue Wege in Medizin und Industrie

Die einzigartigen plasmonischen und elektronischen Eigenschaften von „Goldene“ könnten revolutionäre Anwendungen in der Photokatalyse und sogar in der Krebstherapie ermöglichen, heißt es in der Studie. Trotz der vielversprechenden Ergebnisse stehen Kashiwaya und sein Team vor erheblichen Herausforderungen, insbesondere bei der Skalierung der Produktion. Doch die bisherige Forschung bietet eine solide Grundlage für zukünftige Entwicklungen.

Was du dir merken solltest:

• Forscher der Universität Linköping haben erfolgreich eine ultradünne Goldschicht, genannt „Goldene“, entwickelt. Sie nutzten eine alte japanische Schmiedetechnik, angepasst für moderne Anforderungen.
• „Goldene“ besitzt aufgrund seiner atomaren Dünne besondere elektronische und optische Eigenschaften. Dies eröffnet neue Möglichkeiten in Elektronik und Medizin.
• Das Team arbeitet daran, die Herstellung auf industrielle Skalierung zu erweitern. Die bisherigen Erfolge bilden eine starke Basis für zukünftige Entwicklungen.

Bild: © Vecteezy