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Geheimnisvolle Cluster aus nacktem Gold: Wie kann man ihre strukturellen Geheimnisse im luftleeren Raum aufdecken?
Auf dem Gebiet der Nanotechnologie erregen Goldcluster aufgrund ihrer einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften großes Forschungsinteresse. Goldcluster kommen nicht nur als einzelne Moleküle vor, sondern auch als größere kolloidale Partikel mit einem Durchmesser von jeweils weniger als einem Mikrometer. Die Struktur und Eigenschaften dieser Nanocluster hängen größtenteils mit der chemischen Umgebung zusammen, in der sie leben, was bedeutet, dass die Erforschung der Struktur von Clustern aus reinem Gold neue Türen für viele Anwendungen öffnen wird.
Eigenschaften und Struktur von blanken Goldclustern
Nackte Goldcluster, also Goldcluster ohne Stabilisatorhüllen, können mithilfe der Molekularstrahltechnologie im Vakuum synthetisiert und untersucht werden. Die Struktur dieser Goldcluster wurde experimentell mit verschiedenen Methoden untersucht, beispielsweise der Anionen-Photoelektronenspektroskopie und der Ferninfrarotspektroskopie. Diese Studien zeigen, dass sich die Struktur reiner Goldcluster stark von der ligandenstabilisierter Goldcluster unterscheidet, was den entscheidenden Einfluss der chemischen Umgebung auf die Struktur von Goldclustern unterstreicht.
Zum Beispiel bildet Au20 ein perfektes Tetraeder, dessen Goldatome auf eine Weise gestapelt sind, die der kubisch-flächenzentrierten (fcc) Struktur von metallischem Gold sehr ähnlich ist.
Struktur ligandenstabilisierter Goldcluster
Da das Grundmaterial von Gold eine kubisch-flächenzentrierte (fcc) Struktur aufweist, wandelt sich diese Struktur bei Verringerung der Größe der Goldpartikel in eine zentrale oktaedrische Struktur um, wie bei Au13 gezeigt. Durch diese Form der Veränderung können die Goldcluster ihre Struktur weiter ausbauen und komplexere Gitterformen bilden. Ligandenstabilisierte Goldclusterstrukturen lassen sich in verschiedene Formen einteilen und können über verschiedene Eingangscluster miteinander verbunden und fusioniert werden.
Au13 in seiner Grundform wird zur Grundlage großer Gold-Nanocluster, und jedes zusätzliche Goldatom bildet einen neuen Goldcluster.
Diskrete Goldcluster und kolloidale Goldcluster
Bei der Untersuchung von Goldclustern werden diskrete Goldcluster normalerweise als intrinsische Molekülformen betrachtet, und diese Formen enthalten im Allgemeinen organische Liganden an der Außenseite. Einige spezielle Goldcluster wie [Au6C(P(C6H5)3)6]2+ und [Au9(P(C6H5)3)8]3+ gelten als Goldcluster mit wohldefinierten Grenzflächen. Wenn für katalytische Anwendungen reine Goldcluster benötigt werden, müssen diese Liganden entfernt werden, was normalerweise eine Entfernung bei hohen Temperaturen erfordert, aber auch chemisch bei niedrigen Temperaturen erfolgen kann.
Ein Kalzinierungsprozess bei bis zu 200 °C oder höher kann Liganden effektiv entfernen, was zu blanken Goldclustern führt.
Katalytische Anwendungen
Die katalytischen Eigenschaften blanker Goldcluster haben in der wissenschaftlichen Gemeinschaft große Aufmerksamkeit erregt. Studien haben ergeben, dass Goldcluster, wenn sie auf der Oberfläche von FeOOH implantiert werden, die Oxidationsreaktion von CO wirksam katalysieren können. Ebenso können Goldcluster auf der TiO2-Oberfläche auch bei extrem niedrigen Temperaturen katalytische Reaktionen durchführen. Dies deutet auf einen engen Zusammenhang zwischen den strukturellen Eigenschaften von Goldclustern und ihrer katalytischen Aktivität hin.
Die katalytische Aktivität von Goldnanoclustern hängt eng mit ihrer Struktur und Größe zusammen, was uns zu der Notwendigkeit einer eingehenden Erforschung dieser Nanocluster führt.
Zukunftsaussichten von Gold-Nanoclustern
Mit der Entwicklung der Nanomaterialtechnologie ist das Anwendungsspektrum von Goldclustern immer umfangreicher geworden. Von der Optoelektronik über die Katalyse bis hin zu biomedizinischen Anwendungen weisen Goldnanocluster großes Potenzial auf. Das Phänomen der Oberflächenplasmonresonanz (SPR) in Metallnanopartikeln verleiht diesen Partikeln besondere Vorteile bei der Entwicklung optischer Geräte. Zukünftige Forschungen könnten sich darauf konzentrieren, wie die Struktur von Goldclustern weiter an spezifische Anwendungsanforderungen angepasst werden kann.
All dies wirft die Frage auf: Können wir in der zukünftigen wissenschaftlichen Forschung weitere potenzielle Anwendungen von Goldclustern erkunden, um den Fortschritt und die Entwicklung von Wissenschaft und Technologie zu fördern?
