Hinter dem ewigen Glanz von Gold steckt ein Paradox. Einerseits reagiert das Element recht gut mit Sauerstoff – so gut, dass man diese Eigenschaft für chemische Reaktionen nutzt. Andererseits kann das aggressive Gas dem Metall nichts anhaben, das seine unverändert glänzende Oberfläche deswegen über Jahrtausende behält. Nun sind Santu Biswas und Matthew M. Montemore von der Tulane University in New Orleans dem Grund für diesen Widerspruch auf die Spur gekommen. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift »Physical Review Letters« berichten, ordnen sich die Atome der Oberfläche in eine für Reaktionen mit Sauerstoff sehr ungünstige Geometrie um. Sonst würde Gold an der Luft rosten.

Wenn man ein Metall in verschiedenen Winkeln zu seinem Kristallgitter anschneidet, dann ergeben sich je nach Winkel verschiedene Anordnungen von Atomen auf der Oberfläche. Bei den meisten Metallen bleiben diese Muster bestehen. Doch bei Gold sortieren sich die Atome an den Oberflächen binnen Sekunden um, sodass sie ein Muster mit Sechsecksymmetrie bilden, in dem sie dicht gepackt sind. Welche Folgen das hat, war bisher weitgehend unklar. Die Fachleute nutzten jetzt ein Computerverfahren, um zu bestimmen, wie dieses hexagonale Muster aus Goldatomen die Anlagerung und Spaltung von Sauerstoff beeinflusst. Das ist ein wichtiger Schritt sowohl für chemisch-technische Verfahren als auch bei der Reaktion der Oberfläche selbst mit Sauerstoff.

Dabei stellten Biswas und Montemore zuerst fest, dass die Simulation bereits bekannte Eigenschaften gut wiedergab. So sagte sie voraus, dass Sauerstoff nur schwach an Goldoberflächen bindet, was schon früher in Versuchen beobachtet worden war. Zum Vorschein kam jedoch auch ein enormer und so nicht erwarteter Unterschied. Demnach sind die ursprünglichen Oberflächen mit quadratischen oder rechteckigen Geometrien eine Milliarde bis eine Billion Mal reaktiver als das hexagonale Gold nach der Umsortierung. Ohne die Umsortierung würde Gold eine Oxidschicht bilden wie jedes andere Metall auch.

Das liegt laut den Forschern daran, wie sich die Oberfläche beim Kontakt mit Sauerstoff verhält. Um das Molekül O₂ in einzelne Atome zu zerlegen, die dann reagieren, müssen Goldatome das Molekül in einen energiereichen Übergangszustand bringen. Wie die Experimente zeigen, muss die umgelagerte Goldoberfläche dazu erneut ihre Geometrie ändern – von der Sechsecksymmetrie zu einer quadratischen. Das kostet Energie. Ursprüngliche Goldoberflächen dagegen können den Übergangszustand direkt stabilisieren und sind damit weit reaktiver. Dieser Umstand erkläre möglicherweise auch, warum Nanopartikel aus Gold sehr viel besser mit Sauerstoff wechselwirken, vermuten die Forscher. Demnach ist die umgelagerte Struktur nur auf relativ großen Flächen günstiger, weshalb sehr kleine Teilchen Bereiche mit den ursprünglichen Oberflächen bewahren.