Wählerisches Edelmetall

Goldnanopartikel besiedeln nicht gleichmäßig alle, sondern nur ganz bestimmte Flächen organischer Einkristalle.

Nicht nur schmuckbegeisterte Damen, auch Wissenschaftler und Techniker sind von Gold fasziniert – vor allem in Form winzigster Klümpchen: Goldnanopartikel glänzen durch ihre einzigartigen optischen, elektronischen sowie katalytischen Eigenschaften und sind ein idealer „Baustoff“ für Nanostrukturen. Kompositmaterialien mit ein- oder zweidimensionalen Anordnungen von Goldnanopartikeln sind besonders interessant zum Aufbau von Bauteilen im Nanomaßstab. Japanische Wissenschaftler haben nun gezeigt, dass Kristalle aus organischen Verbindungen ideale Partner für derartige Gold-Kompositmaterialien sind: Goldnanopartikel besiedeln nicht gleichmäßig alle, sondern – da sind sie wählerisch – nur ganz bestimmte Flächen organischer Einkristalle.

Die Forscher um Seiji Shinkai und Kazuki Sada arbeiteten mit millimetergroßen Einkristallen der Aminosäure L-Cystin. Einkristall bedeutet, dass das kristalline Gebilde aus einem einzigen, einheitlichen Kristallgitter besteht. Cystin kristallisiert in Form hexagonaler Prismen. Ein solcher Kristall hat zwei gegenüberliegende sechseckige Flächen, deren Kanten über sechs rechteckige Flächen verbunden werden (Abb.). Taucht man die transparenten Kriställchen zwei Stunden lang in eine Lösung, die Goldnanopartikel enthält, werden sie purpur eingefärbt. Unter dem Mikroskop zeigte sich dann aber, dass nicht alle Flächen purpurn wurden, sondern lediglich die beiden hexagonalen. Die rechteckigen Seitenflächen blieben farblos. Der purpurne Farbeindruck entsteht durch angelagerte Goldnanopartikel. Offensichtlich sind die winzigen Goldklümpchen wählerisch und bevölkern ausschließlich die hexagonalen Flächen der Prismen.

Abb.: An den millimetergroßen Einkristallen der Aminosäure L-Cystin lagern sich Goldnanopartikel selektiv an. (Quelle: Angewandte Chemie)

Warum? Die Cystin-Moleküle sind im Kristall in einer Schichtstruktur angeordnet, die parallel zu den hexagonalen Flächen läuft. Diese Schichten werden durch ein zweidimensionales Netz aus Wasserstoffbrücken zusammen gehalten, das sich zwischen den Amino- und Säuregruppen der Aminosäuren bildet. An den beiden hexagonalen Außenflächen liegen diese polaren Gruppen auf der Oberfläche und ziehen die Goldpartikel über elektrostatische Wechselwirkungen an. Die rechteckigen Flächen dagegen bestehen aus einer alternierenden Schichtung polarer und unpolarer Gruppen. Die Dichte der anziehenden polaren Gruppen ist den Goldpartikeln hier zu gering, um sich niederzulassen.

Die flächenselektive Beschichtung funktioniert auch mit Kristallen im Mikromaßstab. Ihre Goldbeschichtung könnte genutzt werden, um beispielsweise weitere Materialien selektiv anzulagern. Über anziehende und abstoßende Kräfte zwischen beschichteten und unbeschichteten Flächen könnten die Kristalle dazu gebracht werden, richtungsabhängig und gezielt zu größeren Gebilden mit definierter Struktur zu aggregieren.

Quelle: Angewandte Chemie

Weitere Infos:

• Originalarbeit:
  Yuzo Fujiki, Nami Tokunaga, Seiji Shinkai, Kazuki Sada, Anisotropic Decoration of Gold Nanoparticles onto Specific Crystal Faces of Organic Single Crystals, Angewandte Chemie 118, 4882 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1002/ange.200601470
• Department of Appilied Chemistry, Faculty of Engineering, Kyshu University (Japan):
  http://www.cstm.kyushu-u.ac.jp/index-e.html
• Arbeitsgruppe von Seiji Shinkai:
  http://www.cstm.kyushu-u.ac.jp/shinkai/
• Autor Kazuki Sada, Kyushu University, Fukuoka (Japan):
  http://www.cstm.kyushu-u.ac.jp/shinkai/.../sada_H.htm