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Goldchemie erstrahlt in neuem Glanz


Bekanntlich ist Gold zwar eines der edelsten Metalle; es widersteht vielen aggressiven Agentien und selbst den stärksten Säuren. Doch schon die Alchemisten wußten, daß man es mit aqua regia (Königswasser), einer Mischung aus Salz- und Salpetersäure, sehr wohl aufzulösen vermag. In Lösung läßt es sich dann zu zahlreichen Verbindungen umsetzen.

Nachdem der Traum der Alchimisten von der Transmutation gewöhnlicher Stoffe in das Edelmetall geplatzt ist und der Glanz des Goldes auch keine Weltreiche mehr aufbaut oder stürzt (wenn, dann bleibt diese Rolle heute anderen Bodenschätzen wie Erdöl oder Uran vorbehalten), beschäftigen sich nur noch wenige Chemiker mit diesem Übergangselement: Im Forschungsführer des VCH-Verlags in Weinheim ist Hubert Schmidbaur von der Technischen Universität München als einziger erklärter Goldchemiker in Deutschland aufgeführt. Doch was er und die kleine Schar seiner Kollegen weltweit entdecken ist bisweilen hochinteressant.

Wegen der edlen Natur des Goldes verhalten sich seine Verbindungen vielfach deutlich anders als die von Kupfer und Silber, die im Periodensystem der Elemente in derselben Spalte stehen. So ist das einfach positiv geladene Gold-Ion (Au+), das dem Silber in gängigen Verbindungen wie Silbernitrat oder Silberbromid entspricht, für sich allein in wäßriger Lösung nicht beständig: In seinem Bestreben, wieder in die elementare Form überzugehen, oxidiert es die Wassermoleküle (H2O) zu Sauerstoff (O2) und Protonen (H+). Allerdings kann es durch Liganden – kleine (meist organische) Moleküle, die es einhüllen – stabilisiert werden.

Solche Gold-Komplexe enthalten oft streng geometrisch angeordnete Gruppen (wie Dreiecke, Quadrate, Tetraeder und Oktaeder) aus direkt miteinander verbundenen Metallatomen und tendieren zur Ausbildung schwacher Bindungen zwischen diesen Clustern. Etliche derartige Verbindungen, etwa solche mit Phosphan-Liganden (PH3), zeigen Leuchterscheinungen, die sich zum Beispiel durch Bestrahlen mit ultraviolettem Licht anregen lassen und bereits in den achtziger Jahren umfassend untersucht wurden. Meist lassen sich nur die kristallinen Festkörper zum Leuchten bringen. In seltenen, erst kürzlich entdeckten Fällen kann man die Lichterscheinung aber auch einer Lösung der Substanz entlocken.

Nun ist Lumineszenz an sich nichts besonderes: Verbindungen fast aller Übergangsmetalle und einiger anderer Elemente sowie viele organische Farbstoffe zeigen das Phänomen. Ein auch mit bloßem Auge feststellbares deutliches Nachleuchten, im allgemeinen als Phosphoreszenz bezeichnet, tritt schon sehr viel seltener auf. Absolut einmalig ist dagegen bisher, was eine Mitarbeiterin von Allen Balch an der Universi-tät von Kalifornien in Davis kürzlich an jenem dreikernigen metallorganischen Goldkomplex (Bild) beobachtete, den sie ausgefällt und auf einer Fritte abgesaugt hatte ("Angewandte Chemie", Band 109, Seiten 1227 und 1229 und 1219 bis 1221): Als Ella Fung die Kristalle mit Chloroform wusch, begannen sie gelb aufzuleuchten.

Das Phänomen war gleich aus zwei Gründen rätselhaft. Wieso trat überhaupt Lumineszenz auf, obwohl die Verbindung gar nicht gezielt angeregt worden war? Und warum leuchteten die Kristalle nur bei Zugabe des Lösungsmittels und nicht auch im trockenen Zustand? Die erste Frage ließ sich relativ schnell beantworten. Als Quelle der Anregung gerieten schon bald die Leuchtstoffröhren in Verdacht, die das Laboratorium mit ihrem künstlichen Licht erhellten; bekanntermaßen geben sie auch reichlich langwellige Ultraviolett-Strahlung ab. Systematische Untersuchungen mit einer UV-Lampe bestätigten, daß sich die Kristalle bei Bestrahlung damit in einen angeregten Zustand versetzen lassen, der über Stunden stabil ist und die gespeicherte Energie erst dann als gelbes Licht wieder abgibt, wenn man ein Lösungsmittel wie Chloroform zusetzt.

Die Lumineszenz klingt zwar rasch ab, läßt sich aber durch erneute UV-Bestrahlung reaktivieren. Und wenn man das zum Waschen verwendete Lösungsmittel eindampft und den Rückstand UV-Licht aussetzt, fängt auch dieser bei der nächsten Berührung mit Chloroform zu leuchten an. Verschiedene andere Lösungsmittel können den Effekt ebenfalls auslösen, wobei die Intensität mit der Löslichkeit der Goldverbindung in ihnen zuzunehmen scheint. Dies und die Beobachtung, daß weder chemische Reaktionen noch mechanische Belastungen die Substanz zum Leuchten bringen, lassen nur den Schluß zu, daß der Lösungsvorgang an sich entscheidend ist.

Doch wie der angeregte Zustand aussieht und wieso er beim Anlösen der Kristalle die gespeicherte Energie in Form von gelbem Licht abstrahlt ist noch nicht geklärt. Eine Röntgenstrukturanalyse ergab, daß die dreieckigen Goldatom-Cluster im Festkörper zu einem trigonalen Prisma – wer will, mag an einen Toblerone-Riegel denken – übereinandergestapelt und die Abstände dazwischen auffallend kurz sind (Bild). Dieses ungewöhnliche Kristallgitter legt einen Zusammenhang mit der besonderen Leuchterscheinung nahe.

Balch und seine Mitarbeiter spekulieren denn auch über einen Lumineszenz-Mechanismus, bei dem die langgestreckten Prismen aus Goldatomen eine entscheidende Rolle spielen. Das UV-Licht, so ihre Hypothese, reiße Elektronen von einzelnen Goldclustern los (auf denen dann eine positive Ladung zurückbleibt) und lasse sie durch den Stapel irren, der dabei als eine Art molekularer Draht diene. Bleibe das Elektron an einer Gitterfehlstelle hängen, speichere es die in die Ladungstrennung investierte Energie so lange, bis bei der Auflösung des Kristalls die Fehlstelle erreicht und das Elektron befreit würde. Bei seiner Wiedervereinigung mit einem positiv geladenen Goldzentrum käme es dann zu der Leuchterscheinung.

Auch wenn diese Erklärung nicht einer gewissen Logik entbehrt, läßt sie doch viele Fragen offen. So würde die Stärke des Leuchteffektes eine extrem hohe Dichte an Fehlstellen und darin eingefangenen Elektronen erfordern, was schwer vorstellbar ist. Andererseits gibt es derzeit keine überzeugendere andere Theorie.

Kaum weniger spekulativ als der Erklärungsversuch sind die vorgeschlagenen Anwendungsmöglichkeiten. Da ist von Sensoren für Lösungsmitteldämpfe die Rede (die vor allem dort von Vorteil wären, wo elektrisch betriebene Detektoren wegen Explosionsgefahr nicht eingesetzt werden können) sowie von Energiespeichern und photochemischen Schaltern. All diese Ideen sind recht vage und muten eher an wie Pflichtübungen von Forschern, die auf die Frage von Laien (und Verwaltern von Forschungsgeldern) "Wozu ist das gut?" eine Antwort parat haben möchten. Realistische Anwendungen werden sich, falls überhaupt, erst abzeichnen, wenn es gelungen ist, das Phänomen zu erklären und in technisch definierte Bahnen zu lenken.

Bis dahin bleibt der Leuchteffekt ein faszinierendes Kuriosum und eine Herausforderung an die Theoretiker. Zudem beweist er, daß in der Chemie "edel" keineswegs gleich "langweilig" ist.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 9 / 1997, Seite 21
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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