Zauberkunststücke mit Gold und Glas

Goldpartikel, deren Größe und Gestalt sich einstellen lässt, machen Gläser zu neuen Werkstoffen für optoelektronische Anwendungen.

Schon die alten Römer kannten ein Verfahren, um Gläser durch Zusatz von Gold zu färben. Die Gläser sind zunächst farblos und nehmen beim kontrollierten Erhitzen eine rubinrote Farbe an. Ursache für diese Färbung sind fein verteilte Goldcluster. Die Lichtabsorption beruht auf einer gemeinsamen Schwingung der Leitungselektronen aller Goldatome in solch einem Cluster, einer so genannten Plasmonschwingung. Durch Veränderungen von Größe, Form oder den elektrischen Eigenschaften der Umgebung der Partikel sollte sich die Frequenz der Schwingung und damit auch die Farbe des absorbierten Lichtes beeinflussen lassen. Auf diese Weise könnte man dann Materialien herstellen, die sich zum Einsatz in nanophotonischen Bauteilen eignen. Dazu gehören zum Beispiel winzige optoelektronische Schaltkreise oder optische Speicher.

Wie das gehen sollte, war bisher fraglich, denn die Chemie von Gold im Glas galt lange als Mysterium. Durch jetzt veröffentlichte Untersuchungen konnten K. Rademann und M. Eichelbaum in Zusammenarbeit mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) den Schleier um dieses Geheimnis ein wenig lüften. Dazu stellten sie zunächst Kalk-Natron-Silikat-Gläser her, die Goldtrichlorid enthielten. Diese Gläser bestrahlten sie fünf Minuten lang mit Synchrotronstrahlung. Synchrotronstrahlung ist äußerst energiereiches Licht von hoher Intensität. Sie entsteht, wenn Elektronen stark beschleunigt werden – im Synchrotron erreichen sie beinahe Lichtgeschwindigkeit – und dann von einem Magneten abgelenkt werden.

Das Synchrotronlicht bewirkte die photochemische Reduktion der dreiwertigen Gold-Ionen zu elementarem Gold und damit eine gleichmäßige bräunliche Färbung in den bestrahlten Arealen der Gläser. Diese wurden nun über längere Zeit (30-45 Minuten) auf über 550 °C erhitzt. Dabei entwickelte sich die für die Plasmonschwingung charakteristische rote Farbe – ein Hinweis auf das Zusammenwachsen von Goldclustern mit einem Radius zwischen ca. 3 und ca. 6 nm, abhängig von der Dauer der Behandlung und der gewählten Temperatur. Mit steigender Größe der Goldpartikel beobachteten die Forscher eine Rotverschiebung der Plasmonschwingung, also eine Verschiebung in längerwellige Bereiche des Spektrums.

Durch schlichtes Erhitzen lässt sich so die Größe von Goldpartikeln in vorher mit Licht aktivierten Gläsern und damit die Absorptionswellenlänge der Plasmonschwingung einstellen. Dies ist eine Voraussetzung für ihren Einsatz als nanoskalige Bauteile von optoelektronischen Schaltkreisen.

Autor: Klaus Rademann, Humboldt-Universität zu Berlin (Germany), http://www.chemie.hu-berlin.de/agrad/index.html

Angewandte Chemie: Presseinfo 44/2005

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