Optische Eigenschaften von Gold in der Nanodimension Nanogold Optische Eigenschaften von Gold in der Nanodimension Modulsponsor: Dieses Modul wurde mit freundlicher Unterstützung der Metrohm Stiftung Herisau realisiert. 3. Dezember 2010

Nanogold-Partikel verändern ihre Farbe in Abhängigkeit ihrer Grösse Quelle: Swiss Nano-Cube Goldkolloide unterschiedlicher Grösse in wässriger Lösung Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Nanogold“ zu finden.

Inhalt Einführung Experimentelle Durchführung Theoretische Grundlagen Herstellung von Nanogold-Partikeln (kolloidales Gold) Phasentranspher von Nanogold-Partikeln Sicherheitshinweise Theoretische Grundlagen Kolloide Reduktion von Goldchlorid mit Tri-Natriumcitrat als Reduktionsmittel Repetition: Elektromagnetische Wellen und sichtbares Licht Optische Eigenschaften von Nanogold-Partikeln Oberflächenfunktionalisierung Anwendungen

Einführung Goldrubinglas im Mittelalter Mittelalterliche Kirchenfenster in der Kathedrale von Metz (Frankreich). Die kràftigen 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 Video: Vorgehen bei der Herstellung von Nanogoldpartikeln: Video Nanogold www.swissnanocube.ch

Experimentelle Durchführung Vorgehen beim Phasentranspher: Chemikalien: Goldkolloide in wässriger Lösung Natriumchlorid Dodecan (hydrophobe Phase) Kaliumoleat (Oberflächenfunktionalisierung der Nanopartikel) Die Nanopartikel in der wässrigen Phase mit Dodecan überschichten. Kaliumoleat dazugeben. Einige Minuten mit einem Magnetrührer heftig rühren. Übergang der Nanopartikel von der wässrigen in die hydrophobe Phase (Dodecan) kann beobachtet werden.

Experimentelle Durchführung hydrophobe Phase wässrige Phase Quellen: Swiss Nano-Cube

Experimentelle Durchführung Sicherheitshinweise Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe

Theoretische Grundlagen Kolloide: Was ist der Unterschied zwischen einer Lösung und einer Dispersion?

Theoretische Grundlagen In einer Lösung sind alle Atome vollständig gelöst und von Molekülen des Lösungsmittels umgeben. In einer Dispersion sind „Kleinstpartikel“ (Nanopartikel) eines bestimmten Materials im Dispersionsmittel fein verteilt. Die Partikel bestehen aus mehr als nur einem Atom .

Theoretische Grundlagen Kolloide: Goldkolloide sind 2 bis 100 nm grosse Nanopartikel aus elementarem Gold. Goldkolloide sind im Lösungsmittel fein verteilt und bilden eine Dispersion. Wichtig: Eine Dispersion darf nicht mit einer Lösung verwechselt werden, denn in einer Lösung sind die einzelnen Atome vollständig im Lösungsmittel gelöst. Eine Dispersion aus Nanogold-Partikeln wird Goldsol genannt.

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 Repetition: Elektromagnetische Wellen und Sichtbares Licht 0.01 nm 1 nm 100 nm 400 nm 700 nm 1 cm 1 km sichtbares Licht Quelle: Swiss Nano-Cube

Theoretische Grundlagen Optische Eigenschaften von Nanogold-Partikeln: 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 Optische Eigenschaften von Nanogold-Partikeln Quelle: Swiss Nano-Cube Oberflächen-Plasmonen-Resonanz

Theoretische Grundlagen Oberflächenfunktionalisierung: Je nach der Beschaffenheit der Partikel-Oberfläche lassen sich die Nanopartikel in unterschiedlichen Medien dispergieren. Die Moleküle, mit welchen die Partikel an der Oberfläche bestückt sind, bilden eine Nanosphäre um die Partikel. Durch eine Veränderung der funktionalen Oberfläche lassen sich die Nanopartikel in verschiedenen Phasen dispergieren: Phasentranspher. Polare, wässrige Phase: Citrat-Moleküle Hydrophobe Phase (Dodecan): Kaliumoleat-Moleküle Die Nanosphäre der Partikel hat auch Auswirkungen auf die Farbe.

Theoretische Grundlagen Oberflächenfunktionalisierung - Kaliumoleat (hydrophob) Citrat (hydrophob) Quellen: Swiss Nano-Cube

Theoretische Grundlagen Anwendungen: Schwangerschaftstest Quelle: Swiss Nano-Cube