Ein Durchbruch für die Zukunft: Nanokristalle aus Amalgam

Nanokristalle sind wenige Nanometer grosse K¨¹gelchen aus regelm?ssig angeordneten Atomen. Aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften sind sie in mehreren Technologien auf dem Vormarsch. Nanokristalle aus Halbleitern zum Beispiel werden in Fernsehbildschirmen der neuen Generation eingesetzt. In letzter Zeit machen nun zunehmend so genannte intermetallische Nanokristalle, in denen zwei verschiedene Metalle ein gemeinsames Kristallgitter bilden, von sich reden, da sie leistungsstarke und einzigartige Anwendungen versprechen. Diese reichen von der Katalyse ¨¹ber Datenspeicher bis hin zur Medizin.

Theoretisch gibt es Zehntausende m?glicher Kombinationen von Metallen, die solche Nanokristalle bilden k?nnten, mit entsprechend vielen verschiedenen Materialeigenschaften. Bislang aber konnten nur aus einigen wenigen Paarungen tats?chlich Nanokristalle hergestellt werden. Forschende der ETH Z¨¹rich unter Leitung von Maksym Yarema und Vanessa Wood am Institut f¨¹r Elektronik haben nun eine neue Technik entwickelt, mit der im Prinzip fast alle m?glichen Kombinationen von intermetallischen Nanokristallen realisiert werden k?nnen. Ihre Ergebnisse erschienen k¨¹rzlich im Fachjournal Science Advances.

?berraschend intuitive Methode

?Unsere Methode ist einfach und intuitiv ¨C so intuitiv, dass wir ¨¹berrascht waren, dass noch niemand vor uns auf diese Idee gekommen ist?, sagt Yarema. In herk?mmlichen Verfahren f¨¹r die Herstellung von Nanokristallen aus einem einzigen Metall werden die Metallatome in molekularer Form, zum Beispiel als Salze, in eine L?sung gegeben, in der dann die Nanokristalle wachsen. ?Theoretisch kann man das auch mit zwei verschiedenen Metallen machen, aber in der Praxis ist es schwierig oder gar unm?glich, sehr verschiedenartige Metalle im Reagenzglas miteinander zu kombinieren?, erkl?rt Yarema. Also griffen die ETH-Wissenschaftler auf ein Verfahren zur¨¹ck, das schon seit Jahrhunderten benutzt wird: das Amalgamieren, also eine bestimme Art des Verschmelzens oder Vermischens von Metallen.

Fl¨¹ssige Metalle

Amalgame sind vor allem aus der Zahnheilkunde bekannt, wo sie als Material f¨¹r Plomben eingesetzt werden, und auch aus der Goldgewinnung. In beiden F?llen wird fl¨¹ssiges Quecksilber hinzugegeben, um andere Metalle darin aufzul?sen (f¨¹r Zahnf¨¹llungen ein Gemisch aus Kupfer, Zinn und Silber). Das Amalgamieren funktioniert aber auch mit jedem anderen fl¨¹ssigen Metall. Neben Quecksilber, das schon bei Raumtemperatur fl¨¹ssig ist, gibt es eine Reihe von Metallen mit relativ niedrigen Schmelzpunkten wie etwa Gallium (30 Grad Celsius), Indium (157 Grad) oder Zinn (232 Grad).

Amalgam-Prinzip f¨¹r Nanokristalle

Yarema und seine Kollegen machen sich das Amalgam-Prinzip auf der Nanoskala zu Nutze. Die Reaktion beginnt mit dem Aufl?sen von Nanokristallen, die aus einem einzigen Metall bestehen, zum Beispiel aus Silber. Dann werden die Atome des zweiten Metalls ¨C etwa Gallium - in Molek¨¹lform dazu gegeben (in diesem Fall als Amide, eine Verbindung aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff), w?hrend die Mischung auf knapp 300 Grad erhitzt wird.

Durch die hohe Temperatur brechen zun?chst die chemischen Verbindungen des Gallium-Amids auf, und fl¨¹ssiges Gallium lagert sich auf den Silber-Nanokristallen ab. Nun beginnt der eigentliche Amalgamierungsprozess, bei dem fl¨¹ssiges Gallium in das feste Silber hineinkriecht. Dadurch bildet sich nach und nach ein neues Kristallgitter, in dem am Ende Silber- und Galliumatome regelm?ssig angeordnet sind. Dann wird das Ganze wieder abgek¨¹hlt, und nach zehn Minuten sind die Nanokristalle fertig. ?Wir sind erstaunt, wie effizient die Amalgamierung auf der Nanoskala funktioniert. Die fl¨¹ssige Metallkomponente ist dabei der Schl¨¹ssel zur schnellen und gleichm?ssigen Bildung einer Legierung in den einzelnen Nanokristallen?, sagt Yarema.

Kontrollierbarer Prozess

Mit derselben Technik haben die Forschenden bereits verschiedene intermetallische Nanokristalle hergestellt, unter anderem Gold-Gallium, Kupfer-Gallium und Palladium-Zink. Der Amalgamierungsprozess ist dabei genau steuerbar. Durch die Menge an Zweitatomen, die als Amide in die L?sung gegeben werden, kann man das Mengenverh?ltnis der Metalle in den Nanokristallen exakt kontrollieren. Am Beispiel von Gold-Gallium (chemische Symbole Au und Ga) haben die Wissenschaftler gezeigt, dass sich so Nanokristalle mit verschiedensten Mengenverh?ltnissen herstellen lassen, etwa 1:2 (AuGa₂), 1:1 (AuGa) oder 7:2 (Au₇Ga₂). Auch die Gr?sse der fertigen intermetallischen Nanokristalle l?sst sich aus der Gr?sse der urspr¨¹nglichen Nanokristalle aus dem ersten Metall und dem Gr?ssenzuwachs durch das Zweitmetall genau vorhersagen.

Massgeschneiderte Nanokristalle f¨¹r Anwendungen

In der genauen Kontrollierbarkeit der Zusammensetzung und Gr?sse der Nanokristalle, gepaart mit der nahezu beliebigen Kombinierbarkeit der Metalle, sehen die Forschenden ein grosses Potenzial f¨¹r technologische Anwendungen. ?Da die Synthese von Nanokristallen mittels Amalgamierung so viele neue Zusammensetzungen erm?glicht, k?nnen wir es kaum erwarten, bis diese in verbesserten Katalysatoren, in der Plasmonik oder in Lithium-Ionenbatterien zum Einsatz kommen?, sagt Yarema. So k?nnen etwa Katalysatoren aus Nanokristallen auf einen bestimmten chemischen Prozess, der durch sie beschleunigt werden soll, genau massgeschneidert und optimiert werden.