Werkstoffe: Gold, dass auf Cappuccino schwimmt

Forschende der ETH Zürich schufen einen Schaumstoff aus echtem Gold. Es ist die leichteste Form des Edelmetalls, die je hergestellt wurde. Sie ist tausendmal leichter als herkömmliches Gold und von diesem mit blossem Auge kaum zu unterscheiden. Anwendungsmöglichkeiten dafür gibt es viele. Ein Nugget aus echtem Gold, so leicht, dass es in einer Tasse Cappuccino nicht untergeht, sondern auf dem Milchschaum schwebt – was unglaublich klingt, haben Forschende der ETH Zürich tatsächlich geschaffen. Wissenschaftler unter der Leitung von Raffaele Mezzenga, Professor für Lebensmittel und weiche Materialien, stellten eine neue Art Schaumstoff aus Gold her, ein dreidimensionales Goldgeflecht, das zu einem Grossteil aus Poren besteht. Es handelt sich dabei um den leichtesten je geschaffenen Goldklumpen. «Das sogenannte Aerogel ist tausendmal leichter als ein herkömmliches Goldnugget. Es ist leichter als Wasser und beinahe so leicht wie Luft», sagt Mezzenga.

Von blossem Auge ist die neue Gold-Form kaum von herkömmlichem Gold zu unterscheiden – auch das Aerogel glänzt metallisch. Im Unterschied zur herkömmlichen Form ist es jedoch weich und von Hand verformbar. Es besteht zu 98 Teilen aus Luft, nur zu zwei Teilen aus festem Material. Und von diesem festen Material sind gut vier Fünftel Gold, bei knapp einem Fünftel handelt es sich um Milchprotein-Fasern. Dies entspricht 20 Karat Gold.

Trocknung als Herausforderung

Die Wissenschaftler schufen den porösen Stoff, indem sie zunächst Milchproteine erhitzten, um daraus Nanometer-feine Proteinfasern (amyloide Fibrillen) herzustellen. Diese gaben sie in eine Lösung aus Goldsalz. Darin vernetzten sich die Proteinfasern zu einem Grundgerüst entlang dessen das Gold gleichzeitig zu kleinen Partikeln auskristallisierte. So entstand ein gelartiges Goldfasernetz.

«Eine der grossen Herausforderungen war, dieses feine Netzwerk zu trocknen, ohne es dabei zu zerstören», erklärt Gustav Nyström, Oberassistent in der Gruppe von Mezzenga und Erstautor der entsprechenden Studie in der Fachzeitschrift «Advanced Materials». Da das Trocknen an der Luft die feine Struktur des Goldes beschädigen  könnte, wichen die Wissenschaftler auf einen schonenden und aufwendigen Trocknungsprozess mithilfe von Kohlendioxid aus. Sie arbeiteten dazu zusammen mit Forschern aus der Gruppe von Marco Mazzotti, Professor für Verfahrenstechnik.

Die gewählte Methode, bei der die Goldpartikel direkt bei der Herstellung des Aerogel-Proteingrundgerüsts auskristallisiert werden (und nicht etwa zu einem bestehenden Grundgerüst hinzugegeben werden), ist neu. Der grosse Vorteil der Methode: Sie erlaubt auf einfache Art, ein gleichmässiges Goldaerogel zu erhalten.

Ausserdem bietet die Herstellungstechnik den Wissenschaftlern viele Möglichkeiten, auf einfache Weise die Eigenschaften des Goldes bewusst zu beeinflussen. «Die optischen Eigenschaften von Gold hängen stark von der Grösse und Form der Goldpartikel ab», so Nyström. «Wir können daher die Farbe des Materials verändern. Wenn wir dafür sorgen, dass das Gold nicht zu Mikropartikeln sondern zu kleineren Nanopartikeln auskristallisiert, entsteht dunkelrotes Gold.» Nicht nur die Farbe, auch weitere optische Eigenschaften wie die Absorption und Reflexion können die Wissenschaftler auf diese Weise beeinflussen.

Das neue Material könne dort zum Einsatz kommen, wo bereits heute Gold gebraucht werde, sagt Mezzenga. Die Eigenschaften des Stoffes wie zum Beispiel das geringere Gewicht, der kleinere Materialbedarf oder der poröse Aufbau brächten Vorteile. Der Einsatz in Uhren und Schmuck sind nur eine Möglichkeit. Eine weitere Anwendung ist die chemische Katalyse, wie die Wissenschaftler in ihrer Arbeit zeigten. Da das hochporöse Material eine riesige Oberfläche hat, laufen darin von der Anwesenheit von Gold abhängige chemische Reaktion sehr effizient ab. Ausserdem könnte das Material dort zum Einsatz kommen, wo Licht absorbiert oder reflektiert werden soll. Und schliesslich kann man daraus Drucksensoren herstellen. «Bei normalem Luftdruck berühren sich die einzelnen Goldpartikel im Material nicht, das Goldaerogel leitet Strom nicht», erklärt Mezzenga. «Wird der Druck jedoch erhöht, das Material quasi zusammengepresst, beginnen sich die Partikel zu berühren, das Material wird leitfähig.»

Literaturhinweis

Nyström G, Fernández-Ronco MP, Bolisetty S, Mazzotti M, Mezzenga R: Amyloid Templated Gold Aerogels. Advanced Materials, 23. November 2015, doi: 10.1002/adma.201503465

 

Bild: Auch wenn es unglaublich klingt: Hier handelt es sich um eine echte Fotografie, bei der nicht getrickst wurde. Der Schaumstoff aus 20 Karat Gold ist leichter als Milchschaum. (Bild: Gustav Nyström und Raffaele Mezzenga / ETH Zürich).

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