Nanoteilchen aus Gold organisieren sich selbst

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Gold-Nanoteilchen gruppieren sich selbständig zu kleinen Clustern, anstatt sich gleichmäßig in einer Lösung zu verteilen. Voraussetzung dafür ist allerdings ein spezielles Lösungsmittel, berichten Berliner Forscher. Die Gold-Cluster sollen sich als kostengünstige chemische Katalysatoren eignen.

Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) und der Humboldt-Universität (HU) zu Berlin haben die Selbstorganisation von Clustern aus Gold-Nanoteilchen nachgewiesen. "Die Forschung daran geht jetzt weiter, denn wir sind überzeugt, dass sich solche Nanocluster als günstige Katalysatoren eignen, sei es in Brennstoffzellen, bei der Wasserspaltung mit Sonnenlicht oder für andere technisch wichtige Reaktionen", erklärt Dr. Armin Hoell vom HZB.

"Das Besondere an dem neuen Verfahren ist, dass es extrem einfach ist und mit einem umweltfreundlichen und billigen Lösungsmittel funktioniert", erklärt Professor Dr. Klaus Rademann von der HU Berlin. Das Lösungsmittel bestehe aus zwei Pulvern, die man eher in der Landwirtschaft vermuten würde als in einem Forschungslabor: Ein Hühnerfutterzusatz (Cholin-Chlorid oder Vitamin B) sowie Harnstoff (Urea). Vor ein paar Jahren entdeckten britische Kollegen, dass die beiden Pulver vermischt eine transparente Flüssigkeit bilden, die in der Lage ist, Metalloxide und Schwermetalle zu lösen, erläutern die Wissenschaftler. Über diesem Lösungsmittel brachten die Berliner Forscher nun eine Goldfolie an, aus der sie durch Beschuss mit Edelgasionen einzelne Goldatome herauslösten. Dabei bildeten sich zunächst die Nanoteilchen, die sich im Lösungsmittel verteilen.

Nanoteilchen hören mit 5 nm auf zu wachsen und "organisieren" sich

Je länger der Beschuss der Goldfolie (Sputtern) dauert, desto größer könnten die Nanoteilchen werden, vermuteten die Wissenschaftler. Doch dies sei nicht der Fall gewesen: Bei einem Durchmesser von fünf Nanometern hörten die Teilchen auf zu wachsen. Stattdessen bildeten sich bei längerer Sputter-Zeit auch immer mehr Nanoteilchen, berichten die Forscher. Die zweite Überraschung: Diese Nanoteilchen verteilten sich nicht einfach gleichmäßig in der Flüssigkeit, sondern organisierten sich von selbst zu kleinen Grüppchen oder Clustern, die aus bis zu zwölf Nanoteilchen bestehen konnten.

Kleinwinkelstreuung mit Synchrotronlicht

Solche Beobachtungen lassen sich allerdings nicht unter einem Mikroskop machen, sondern erfordern eine indirekte und mittelnde Methode: "Mit der Kleinwinkelstreuung an BESSY II konnten wir nicht nur ermitteln, dass die Nanoteilchen alle um die fünf Nanometer im Durchmesser sind, sondern auch ausmessen, welche Abstände sie untereinander haben. Dabei fanden wir dann, dass sie sich zu Clustern anordnen", erklärt Hoell.

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"Um die Messergebnisse zu verstehen, haben wir vorab im Computer durchgespielt, wie sich die Nanoteilchen in der Lösung verteilen könnten und dann die Ergebnisse der Simulation mit den Ergebnissen der Kleinwinkelstreuung verglichen", erklärt Dr. Vikram Singh Raghuwanshi, der als Postdoktorand an der HU Berlin und am HZB arbeitet. Eine Aufnahme mit dem Kryo-Transmissionselektronenmikroskop, die ein Kollege an der HU anfertigte, bestätigte ihren Befund. "Mit der Elektronenmikroskopie alleine hätten wir dieses Resultat jedoch nicht erzielen können, da sie immer nur Details und Ausschnitte aus der Probe zeigen kann", betont Hoell. "Um generelle Trends und Mittelwerte auszumessen, ist die Kleinwinkelstreuung unverzichtbar!"

Lösungsmittel aus der Landwirtschaft

Bei diesem Selbstordnungsprozess spielt das besondere Lösungsmittel eine wichtige Rolle: Verschiedene Wechselwirkungen zwischen den Ionen des Lösungsmittels und den Gold-Partikeln sorgen dafür, dass die Nanopartikel erstens nur wenige tausend Atome stark werden und zweitens sich dann gegenseitig etwas anziehen, allerdings nur schwach, sodass die kleinen Cluster entstehen, erklären die Wissenschaftler. "Wir wissen aber, dass solche kleinen Cluster aus Nanopartikeln als Katalysatoren für gewünschte chemische Reaktionen ganz besonders wirkungsvoll sind: Eine mehrfache Verstärkung der Reaktionsgeschwindigkeit nur aufgrund der Anordnung wurde schon nachgewiesen", sagt Rademann. Weitere Experimente zur Katalysewirkung seien geplant.

Die Forschungsergebnisse sind zwei Fachjournalen erschienen: Langmuir, 2014; doi: 10.1021/la500979p und Royal Society of Chemistry, 2014; doi: 10.1039/C4CC02588A.