Glas färben mit Nanogold Goldrubinglas Glas färben mit Nanogold Modulsponsor: Dieses Modul wurde mit freundlicher Unterstützung der Metrohm Stiftung Herisau realisiert. September 2014

Nanogold-Partikel erzeugen schillernde Farben in Glas. Quelle: Swiss Nano-Cube Goldrubinglas-Perlen aus der Mikrowelle Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Goldrubinglas“ zu finden.

Inhalt Einführung Experimentelle Durchführung Theoretische Grundlagen Materialien, Chemikalien, Vorgehen Sicherheitshinweise Theoretische Grundlagen Optische Eigenschaften von Nanogold-Partikeln Mikrowellen Grafit-Suszeptor-Element

Einführung Goldrubinglas im Mittelalter Mittelalterliche Kirchenfenster in der Kathedrale von Metz (Frankreich). Die kräftigen Rot- und Blautöne der Goldrubinglaser werden durch Gold-Kolloide im Glas hervorgerufen. Früher wurde zur Herstellung von Goldrubinglas dem Glasausgangsgemisch fein verteiltes Goldpulver beigefügt.

Einführung Goldrubinglas im Mittelalter Früher wurde zur Herstellung von Goldrubinglas dem Glasausgangsgemisch fein verteiltes Goldpulver beigefügt.

Experimentelle Durchführung Vorgehen bei der Herstellung von Goldrubinglas Glasausgangsgemisch vorbereiten: Quarz Borsäure Calciumcarbonat, Lithiumcarbonat, Natriumcarbonat Ein „Körnchen“ Goldchlorid Aquat zugeben. Im Mörser zerkleinern und in einen Porzellantiegel geben. Tiegel im Grafit-Suszeptor-Technik Element (GST Element) platzieren. Glasgemisch mit GST Element in der Mikrowelle erhitzen. 5-10 min im Mikrowellenofen bei mehr als 1000 °C

Experimentelle Durchführung Herstellung des GST Elements GST Element Glasherstellung im Mikrowellenofen T > 1000 °C Quellen: Swiss Nano-Cube

Experimentelle Durchführung Sicherheitshinweise Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe

Theoretische Grundlagen Reduktion von Goldchlorid mit Tri-Natriumcitrat Oxidation: [O2C+II-C+IIOH-C4H4O4]3- [OC+II-C4H4O4]2- + H+ + C+IVO2 + 2 e- Reduktion: HAu+IIICl3 + 2 e- Au+ICl + 2 Cl- (3x) Disproportionierung 3 AuCl 3 C5H4O52- 2 Au0 + AuCl3 Gesamt: 2 AuCl3 + 3 C6H5 O73- 3 C5H4O52- + 3 H+ + CO2 + 6 Cl- + 2 Au0

Theoretische Grundlagen Elektromagnetische Wellen 0.01 nm 1 nm 100 nm 400 nm 700 nm 1 cm 1 km sichtbares Licht Quelle: Swiss Nano-Cube

Theoretische Grundlagen Oberflächen-Plasmonen-Resonanz Bei Edelmetallen wie Gold beträgt die Eindringtiefe elektromagnetischer Wellen ca. 1/4 bis 1/10 der Wellenlänge. Nanopartikel mit einem Durchmesser von 20–30 nm werden von sichtbarem Licht (400–700 nm) vollständig durchdrungen. Anregung -> Elektrisches Wechselfeld -> Höheres Energieniveau Beim „Rückschwingen“ wird Energie in Form von Streulicht frei Absorption/Transmission der einfallenden Lichtwellen je nach Grösse der Partikel. Partikel mit 20–30 nm Durchmesser absorbieren vorwiegend kurzwelliges blaues Licht und transmittieren rotes Licht. Sie erscheinen daher rot.

Theoretische Grundlagen Oberflächen-Plasmonen-Resonanz Quelle: Swiss Nano-Cube

Theoretische Grundlagen Zusatzfrage Was kann in einem Mikrowellenofen erhitzt werden?

Theoretische Grundlagen Flüssiges Wasser und hauchdünne Metall- oder Grafitschichten können durch Mikrowellen angeregt werden. Mikrowellen und flüssiges Wasser Mikrowellenofen: 2.45 GHz, 12 cm Wellenlänge. Anregung von Dipolmolekülen wie Wasser -> Moleküle werden in Bewegung versetzt. Nur im flüssigen Zustand: Guter Ausgleich zwischen Beweglichkeit der Moleküle und Dichte. Durch dichte Anordnung entsteht bei der Bewegung Reibungswärme.

Theoretische Grundlagen Mikrowellen und Grafit Mikrowellenofen: 2.45 GHz, 12 cm Wellenlänge. Mikrowellen dringen nur einige Mikrometer tief in Grafit ein. Anregung von Elektronen an der Oberfläche des Grafit. Die Elektronen beginnen zu schwingen. Bei sehr dünnen Grafitschichten können dabei sehr hohe Temperaturen entstehen, so dass die Schicht verdampft wird. Im GST Element liegt der Porzellantiegel so dicht auf der dünnen Grafitschicht, dass diese zwar sehr heiss wird, jedoch nicht verdampft.

Theoretische Grundlagen Grafit-Suszeptor-Element: Mehr als 1000 °C in der Mikrowelle Quelle: Swiss Nano-Cube