Het is wetenschappers voor de eerste keer gelukt om losse, flinterdunne laagjes goud met een dikte van een enkel atoom te maken. Voor de creatie van dit nanomateriaal, goudeen genaamd, putten de onderzoekers inspiratie uit een honderd jaar oude Japanse smeedtechniek.
Wetenschappers puzzelen al meerdere jaren over de vraag hoe ze een tweedimensionale laag van goud met de dikte van één atoom kunnen maken. Nu is het onderzoekers van de Linköping-universiteit uit Zweden gelukt. De volgende stap is om uit te zoeken of dit ‘goudeen’ unieke, bruikbare eigenschappen heeft.
Een bekend voorbeeld van tweedimensionale materialen is grafeen, gemaakt van een enkele laag koolstofatomen. Doordat dit soort materialen zo extreem dun zijn, zijn ze praktisch gesproken twee-dimensionaal. Door die unieke structuur hebben ze vaak speciale eigenschappen. Zo is grafeen meer dan tweehonderd keer sterker dan staal, en geleidt het warmte en elektriciteit uitstekend.
Duurzame methode moet meer plastic recyclebaar maken
Scheikundige Ina Vollmer heeft een nieuwe, revolutionaire techniek ontwikkeld waarmee plastic kan worden gerecycled.
Wegkruipend goud
Oorspronkelijk waren de onderzoekers helemaal niet gericht op het maken van goudeen. Ze wilden een elektrisch geleidend keramiek, waarin hele dunne laagjes silicium zaten, bedekken met een laagje goud om een contact te maken. Bij hoge temperaturen bleken de goudatomen echter in dit zogeheten titaniumsiliciumcarbide te kruipen, en de plaats van het silicium in te nemen. Zo ontdekten de onderzoekers per ongeluk het materiaal titaniumgoudcarbide.
In dit materiaal bleken flinterdunne laagjes goud ingesloten te zitten tussen lagen van titanium en koolstof. Het lukte de onderzoekers echter meerdere jaren niet om dat laagje er veilig uit te halen.
Etsen in het duister
Door toeval kwam natuurkundige Lars Hultman van de Linköping-universiteit een honderd jaar oude methode uit de Japanse smeedkunst tegen, wat voor het onderzoek de doorbraak bleek. De Murakami’s reagens-methode verandert niet enkel de kleur van staal bij het maken van het lemmet van een mes, maar etst ook koolstofresidu weg.
Chemicus en hoofdauteur van de studie Shun Kashiwaya, ook van de Linköping-universiteit, onderzocht welke concentratie en tijdsduur van Murakami’s reagens ideaal waren om titaniumgoudcarbide te etsen. Een lage concentratie en lange duur verbeterden het proces. Toch bleken ze het goudeen nog niet heelhuids los te krijgen.
De onderzoekers ontdekten dat het etsen in het donker moest gebeuren om het beste resultaat te behalen. Als er licht bij de reactie aanwezig was, ontstond er namelijk het giftige cyanide, wat het goud oploste.
Ook moesten de onderzoekers voorkomen dat de uiteindelijke laagjes goud zouden oprollen. Hiervoor voegden ze een lang molecuul, genaamd tenside, aan de oplossing toe. Dit molecuul hield de flinterdunne vellen van elkaar af.
Vervolgens gebruikten de onderzoekers een speciaal soort zeef om de goudeenvellen uit de oplossing te halen. Met behulp van een elektronenmicroscoop stelden ze vast dat de vellen echt een atoom dik waren.
Goudeen
Goudeen heeft andere eigenschappen dan driedimensionaal goud, doordat elk goudatoom in het tweedimensionale vlak twee extra vrije elektronen heeft. Door zijn unieke structuur kan goudeen daarom veel toepassingen hebben. Denk aan het omzetten van koolstofdioxide of het produceren van waterstof. Ook zou het de hoeveelheid benodigd goud in elektronica, zoals onze mobiele telefoons, drastisch kunnen verminderen.
Toch blijven dit vooralsnog speculaties. Goudeen hoeft niet, net als grafeen, unieke eigenschappen te hebben, zegt nanofysicus Harold Zandvliet van de Universiteit Twente. ‘De atomen zijn anders geordend; bij goudeen vormen die een hexagonale structuur en bij grafeen een honingraatstructuur. Het is juist die honingraatstructuur die grafeen veel van zijn unieke eigenschappen geeft.’
‘Of goudeen daadwerkelijk nuttige eigenschappen heeft, is nog niet aangetoond’, zegt Zandvliet. ‘Naast de structuur zijn ook de bindingen in goudeen wezenlijk anders dan in grafeen. Goudeen is een mogelijk interessant materiaal, maar we moeten eerst onderzoeken welke eigenschappen het materiaal precies heeft om vervolgens te gaan bepalen waarvoor we het kunnen gebruiken.’
