Gold ist in vieler Hinsicht ein ganz besonderes Element. Denn das Edelmetall verweigert fast alle chemischen Reaktionen, zeigt einen einzigartigen Glanz und ist so formbar und trotzdem beständig wie kein anderes Metall. Durch seine Reaktionsträgheit behält Gold auch nach Jahrtausenden noch seinen Schimmer. Während Kupfer zu Grünspan oxidiert, Eisen rostet und Silber schwarz anläuft, scheinen Korrosion und andere Umwelteinflüsse dem Gold nichts anhaben zu können.
Warum läuft Gold nicht an?
Doch was verleiht dem Gold seine große Beständigkeit? „Bisher dachte man, dass Gold nicht anläuft, weil es einfach kaum mit Sauerstoff interagiert“, sagt Matthew Montemore von der Tulane University in New Orleans. Hinzu kommt, dass der schwere Goldkern seine Außenelektronen besonders fest bindet und dadurch auch andere chemische Reaktionen erschwert. Aber ist das wirklich der einzige Grund? Montemore und sein Kollege Santu Biswas hatten den Verdacht, dass die schlechte Oxidierbarkeit des Goldes noch eine andere Ursache hat.
Um dieser Spur nachzugehen, führten die Forscher mithilfe von Computersimulationen virtuelle Reaktionstests mit Goldoberflächen durch. Typischerweise hat das Atomgitter des Goldes eine kubisch-flächenzentrierte Gitterform, das sogenannte Au(100). An der Goldoberfläche ändert sich diese Gitterform jedoch: Die Atome lagern sich um, damit sie in dieser Grenzschicht einen energetisch günstigeren Zustand einnehmen können. Durch diese sogenannte Rekonstruktion bildet die oberste Atomlage des Goldes eine hexagonale Gitterform, Au(110). In ihren Simulationen analysierten die Chemiker, was bei Kontakt dieser Goldoberflächen mit Sauerstoffmolekülen (O2) passiert.
Hexagonale Atom-Anordnung als Oxidationsschutz
Die Tests enthüllten: Die Umlagerung der Goldoberfläche in die hexagonale Au(110)-Variante wirkt sich direkt auf die Reaktion mit Sauerstoff aus. „Die Umlagerung der Oberflächenatome macht das Gold deutlich resistenter gegenüber einer Oxidation“, berichtet Montemore. Denn damit eine solche Oxidation stattfinden kann, müssen die zweiatomigen Sauerstoffmoleküle zunächst aufgespalten werden. „Die hexagonale Goldstruktur bildet jedoch eine besonders hohe Barriere gegenüber dieser Sauerstoff-Dissoziation“, erklären die Forscher.
Konkret ergaben die virtuellen Experimente, dass die O2-Dissoziation durch den Wandel zu einer quasi-hexagonalen Struktur eine Milliarde bis eine Billion Mal verlangsamt wird, wie die Forscher berichten. Verhinderten sie dagegen die Rekonstruktion der Goldoberfläche in ihrer Simulation, blieb dieser hemmende Effekt aus und der Sauerstoff konnte mit dem Gold reagieren. Für die Goldatome ist die hexagonale Gitterform demnach nicht nur energetisch günstiger, ihre Umlagerung macht das Edelmetall auch chemisch weniger angreifbar.
Damit liefern die Ergebnisse eine ganz neue Erklärung für eine der bekanntesten Eigenheiten des Goldes. Das Edelmetall ist demnach deshalb so beständig, weil es die Atome seiner Oberfläche flexibel umlagern kann. „Die Oberflächenatome arrangieren sich von selbst zu einer Struktur, die das Gold resistenter gegenüber der Oxidation macht“, erklärt Montemore. Dadurch behält Gold auch nach Jahrtausenden seinen Glanz.
Ansatzpunkt auch für Goldkatalysatoren
Gleichzeitig bieten die neuen Erkenntnisse aber auch wertvolle Ansatzpunkte für einen weiteren Einsatzzweck des Goldes: die Katalyse. Denn das eigentlich reaktionsträge Edelmetall kann als Nanopartikel oder in Goldkomplexen chemische Reaktionen beschleunigen. Gold-Palladium-Katalysatoren werden beispielsweise in der chemischen Industrie verwendet, um den Plastik-Grundstoff Vinylacetat herzustellen. Nanogold kann aber auch Kohlenmonoxid zu CO2 oxidieren und beim Recycling helfen.
Bislang war aber unklar, ob und wie sich die Katalyse-Fähigkeiten des Goldes noch weiter verbessern lassen. Jetzt zeigt sich, dass die Oberflächengeometrie des Edelmetalls dafür ein Ansatzpunkt sein könnte. „Wenn wir Gold dazu bringen könnten, Sauerstoff besser zu dissoziieren, könnte es ein noch effektiverer Katalysator werden“, sagt Montemore. „Unsere Resultate zeigen uns, dass wir dies erreichen könnten, indem wir die Umlagerung der Oberflächenatome verhindern oder rückgängig machen.“
Quelle: Matthew Montemore und Santu Biswas (Tulane University, New Orleans), Physical Review Letters, 2026; doi: 10.1103/g3bc-t1qv
