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Wie man Gold bei Raumtemperatur schmilzt

Alexander Ericson

Die Abbildung zeigt die Atome eines Goldkegels, der einem starken elektrischen Feld ausgesetzt ist. Wir sehen auch das Feld (um die Spitze des Kegels), das die Goldatome anregt. Sie lösen fast alle ihre Verbindungen zueinander und die Oberflächenschichten beginnen zu schmelzen.

21.11.2018: Wenn die Spannung steigt, können unerwartete Dinge passieren - nicht zuletzt bei Goldatomen. Forschern unter anderem von der Chalmers University of Technology, Schweden, ist es nun erstmals gelungen, die Oberfläche eines Goldobjekts bei Raumtemperatur schmelzen zu lassen.

Ludvig de Knoop vom Physikalischen Institut von Chalmers legte ein kleines Stück Gold in ein Elektronenmikroskop. Er beobachtete es bei höchster Vergrößerung und erhöhte das elektrische Feld Schritt für Schritt auf extrem hohe Werte und war gespannt, wie es die Goldatome beeinflusste.

Als er die Atome in den Aufnahmen vom Mikroskop studierte, sah er etwas Spannendes. Die Oberflächenschichten aus Gold waren tatsächlich geschmolzen - bei Raumtemperatur.

"Ich war wirklich fassungslos von der Entdeckung. Dies ist ein außergewöhnliches Phänomen, das uns neue, grundlegende Erkenntnisse über Gold vermittelt", sagt Ludvig de Knoop.

Was passierte, war, dass die Goldatome angeregt wurden. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes verloren sie plötzlich ihre geordnete Struktur und lösten fast alle ihre Verbindungen zueinander. Bei weiteren Experimenten stellten die Forscher fest, dass es auch möglich war, zwischen einer festen und einer geschmolzenen Struktur zu wechseln.

Die Entdeckung, wie Goldatome auf diese Weise ihre Struktur verlieren können, ist nicht nur spektakulär, sondern auch wissenschaftlich wegweisend. Gemeinsam mit dem Theoretiker Mikael Juhani Kuisma von der Universität Jyväskylä in Finnland haben Ludvig de Knoop und Kollegen neue Wege in der Materialwissenschaft beschritten.

Dank theoretischer Berechnungen können die Forscher herausfinden, warum Gold bei Raumtemperatur schmelzen kann. Möglicherweise kann die Oberflächenschmelze als sogenannter niederdimensionaler Phasenübergang betrachtet werden. In diesem Fall ist die Entdeckung mit dem Forschungsgebiet der Topologie verbunden, wo die Pioniere David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz den Nobelpreis für Physik 2016 erhielten. Unter der Leitung von Mikael Juhani Kuisma untersuchen die Forscher nun diese Möglichkeit.

In jedem Fall ermöglicht die Fähigkeit, auf diese Weise Oberflächenschichten aus Gold zu schmelzen, in Zukunft verschiedene neue praktische Anwendungen.

"Da wir die Eigenschaften der Oberflächen-Atomschichten kontrollieren und verändern können, öffnet sie Türen für verschiedene Anwendungen. So könnte die Technologie beispielsweise in verschiedenen Arten von Sensoren, Katalysatoren und Transistoren eingesetzt werden. Es könnte auch Möglichkeiten für neue Konzepte für kontaktlose Komponenten geben", sagt Eva Olsson, Professorin am Physikalischen Institut von Chalmers.

Aber für diejenigen, die Gold ohne Elektronenmikroskop schmelzen wollen, ist eine Reise zum Goldschmied noch in Ordnung.

Originalveröffentlichung:
Ludvig de Knoop, Mikael Juhani Kuisma, Joakim Löfgren, Kristof Lodewijks, Mattias Thuvander, Paul Erhart, Alexandre Dmitriev, and Eva Olsson; "Electric-field-controlled reversible order-disorder switching of a metal tip surface"; Phys. Rev. Materials; 2018

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