Die dritte Dimension des Periodensystems

Vor 150 Jahren publizierten Dimitri Iwanowitsch Mendelejew und Lothar Meyer fast zeitgleich ihre Ergebnisse zur Anordnung der Elemente im bis heute modernen Periodensystem, ein Jubiläum, das in diesem Jahr gefeiert wird. Dabei korrelierten sie dessen Periodizität mit dem Aufbau der Elektronenhülle der Atome, wobei die Valenzelektronen zu ähnlichen Eigenschaften der Elemente einer Gruppe beitragen. Mit Beginn der systematischen Untersuchungen zu nanodimensionierten Atomaggregaten zeigte sich bald, dass die Eigenschaften eines Systems auch davon abhängen, wieviele gleichartige Teilchen miteinander verknüpft sind und wie groß der Anteil der Oberfläche im Vergleich zum Volumen ist. Mit jedem zusätzlichen Atom in einem Aggregat ändern sich die Eigenschaften kontinuierlich bis zu Größen von etwa 100 nm. Makroskopische Goldklumpen schmelzen z.B. bei 1064 °C. Der Schmelzpunkt von Nanopartikeln sinkt dagegen kontinuierlich. 3 nm große Partikel, die in etwa eine gleichgroße Anzahl Oberflächenatome im Vergleich zum Volumen aufweisen, haben einen Schmelzpunkt um 248 °C.

Nanomaterialwissenschaftler sprechen daher im Kontext der Partikelgröße von der dritten Dimension des Periodensystems. Auch die Form der Atomaggregate ist wichtig, ob sie beispielsweise als runde, dreieckige, würfelförmige, fraktale oder sternförmige Anordnungen, Triangeln, oder Ketten vorliegen, ob sich Aggregate aus Nanopartikeln bilden oder in zweidimensionalen Schichten vorliegen, führt zu unterschiedlichen Eigenschaften. So kann nanodimensioniertes Gold Farben wie z.B. rot oder blau haben, je nachdem, wie groß die sphärischen Nanopartikel sind. Periodisch angeordnet kann man tief schwarze Farben erzeugen, künstliche Chamäleonhaut mit schaltbaren Farben herstellen oder einen Gegenstand in einem bestimmten Frequenzbereich sogar unsichtbar machen. Während Gold normalerweise chemisch inert ist, wird es in Dimensionen unter 10 nm katalytisch aktiv. Der Vortrag zeigt am Beispiel Gold die vielfältigen Möglichkeiten der Nanowissenschaften, diskutiert aber auch mögliche Risiken.