Wenn ein Wassertropfen zum Nanolabor wird: Gold-Nanopartikel und Gold aus dem Tropfenreaktor

Von vielen Alltagsmaterialien wissen wir, dass der Zerteilungsgrad großen Einfluss auf die Eigenschaften des Materials haben kann. Dieser Umstand gilt insbesondere für Stoffe, die nanodimensioniert vorliegen und damit eine besonders starke Vergrößerung ihrer Oberfläche erfahren haben. Gold übt seit je her eine große Faszination auf uns Menschen aus. Typische Eigenschaften, die mit diesem Edelmetall verbunden werden, sind seine Beständigkeit und seine charakteristische goldene Farbe. Auch in der Schule wird Gold häufig als inertes, reaktionsträges Metall im Unterricht vorgestellt. Umso erstaunlicher ist es, nicht nur für Schülerinnen und Schüler, zu lernen, dass nanodimensioniertes Gold die bekannten Eigenschaften nicht mehr aufweist. Nachdem die Synthese von kolloidalem Gold erstmals 1951 beschrieben wurde, erfährt „Nano-Gold“ seit einigen Jahren auch in Schule sowie Schülerlabor eine verstärkte Thematisierung und ist mittlerweile ein klassischer Einführungsversuch in die Nanotechnologie. Verschiedene Syntheseverfahren ermöglichen Gold-Nanopartikel in den Farben Blau, Violett und Rot, über eine einfache wässrige Synthese im Becherglas zu erhalten. Als klassische „Goldquelle“ dient Blattgold oder eine Goldchloridlösung. Als Reduktionsmittel werden typischerweise Natriumcitrat oder auch Citronensäure, Ascorbinsäure oder Zinkchlorid verwendet. Die direkt zu beobachtende Farbe, erklärbar über die Plasmonenresonanz, hängt dabei mit dem Durchmesser der Gold-Nanopartikel (blaue Partikel: > 150 nm, violette Partikel: 150 nm – 100 nm, rote Partikel: 60 nm – 5 nm) zusammen. Dabei wirken sich die eingesetzten Reduktionsmittel, die Reaktionstemperatur sowie die Reaktionszeit auf die Partikelgröße des erhaltenen Produkts, deren Stabilität und somit auch die Farbe der Dispersion aus. Je nach angewendeter Versuchsvorschrift ist eine unterschiedlich auftretende Farbreihenfolge zu beobachten, beginnend oder endend mit einer roten Dispersion. Zum Erhitzen der Lösungen kann neben einem Heizrührer, eine Mikrowelle eingesetzt werden, was mit einer Verkürzung der Reaktionszeit einhergeht. Des Weiteren vermag die reduzierende Flammenzone eines Gasbrenners, die schräg von oben in eine Goldlösung getaucht wird, die beschriebenen Farben der Goldkolloide schichtweise zu erzeugen. Zu den angeführten Synthesewegen möchte das im Folgenden vorgestellte Experiment nicht nur eine einfache Herstellung von Gold-Nanopartikeln, sondern auch ein weiteres Reaktionsprodukt hinzufügen: Eine Tetrachlorogold(III)-säure-Lösung vermag die beschriebenen Gold-Nanopartikeldispersionen mit den charakteristischen Farben einnehmen und wird dabei zu elementaren Gold reduziert. Dieses liegt nicht, wie schon häufig in der Literatur beschrieben, als amorpher schwarzer Feststoff vor, sondern als glänzendes Gold.