Stahl rostet, Kupfer wird grün, Silber läuft an – doch Gold, das aus einem Schiffswrack geborgen wird, glänzt noch nach Jahrhunderten unter Wasser. Lange führten Chemiker das schlicht darauf zurück, dass Gold kaum reagiert. Neue Forschung legt nahe, dass die Geschichte aktiver ist: Die Oberflächenatome von Gold ordnen sich still zu einer Geometrie um, die es Sauerstoff außerordentlich schwer macht, das Metall anzugreifen.
Die Arbeit von Matthew Montemore und Santu Biswas von der Tulane University in New Orleans erschien am 21. Mai in der Fachzeitschrift Physical Review Letters. Mithilfe quantenmechanischer Simulationen modellierte das Duo, wie Sauerstoffmoleküle auf zwei der häufigsten Arten von Goldoberflächen treffen. Bevor ein Metall anlaufen kann, muss es zunächst die paarweise gebundenen Sauerstoffatome der Luft aufspalten; erst dann kann sich Sauerstoff an die Oberfläche binden. Die Forscher stellten also eine einfache Frage: Wie leicht kann Gold Sauerstoff aufspalten?
Von Quadraten zu Sechsecken
Die Antwort hing von der Form ab. Wird eine frische Goldoberfläche freigelegt – etwa durch einen Schnitt –, verschieben sich ihre Atome aus der ursprünglich quadratischen Anordnung in eine sechseckige, ein Vorgang, den man Rekonstruktion nennt. Die Simulationen zeigten: Die quadratische Anordnung würde Sauerstoff bereitwillig aufspalten, die sechseckige jedoch sträubt sich weit stärker. Um zu reagieren, müsste sich die sechseckige Oberfläche erst wieder in Quadrate zurückverformen – eine Energiebarriere, die die Oxidation stoppt, bevor sie richtig beginnt.
Der Effekt ist gewaltig. Nach Angaben des Teams verlangsamen die umgeordneten Oberflächen die Sauerstoffreaktionen um das Milliarden- bis Billionenfache. Ohne diese Umordnung, so Montemore, würde Gold binnen Sekunden zu oxidieren beginnen. Selbst die Überraschung darüber, wie groß der Unterschied ausfiel, sei beträchtlich gewesen.
Der Befund erklärt mehr als nur, warum Eheringe und antike Münzen ihren Glanz behalten. Gold ist auch ein wertvoller Katalysator, der industrielle Reaktionen beschleunigt – doch dieselbe Reaktionsträgheit, die Schmuck schützt, begrenzt dort seinen Nutzen. Könnten Chemiker Gold dazu bewegen, Sauerstoff gezielt aufzuspalten, indem sie die Anordnung seiner Oberflächenatome steuern, ließen sich bessere Katalysatoren bauen – etwa um Kohlenmonoxid aus Abgasen zu entfernen oder Chemikalien für Kunststoffe und sauberere Energie herzustellen. Den jahrhundertealten Glanz des Goldes zu verstehen, könnte das Metall also zu neuen Aufgaben verhelfen.