Gold ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Au (lateinisch Aurum) und hat die Ordnungszahl 79 im Periodensystem der Elemente. Es ist ein spannendes und interessantes Element, welches in der Natur als eines der wenigen Metalle in reiner Form (gediegen) vorkommt. Das goldgelbe Metall zeichnet sich durch seine hohe Beständigkeit aus und hat schon immer die Menschheit in allen Kulturen fasziniert. Die besondere Wertschätzung in europäischen und arabischen Völkern gegenüber dem Gold führte dazu, dass es ein sehr begehrtes Edelmetall war und nach wie vor ist, wofür schon Morde verübt und auch ganze indigene Völker, wie z.B. die Inka und Maya in Amerika, aufgrund der Gier und Machtbesessenheit anderer ausgelöscht wurden.
In der heutigen Zeit findet Gold im Bereich der Schmuckindustrie (siehe Abb.: 1), im Finanzwesen und natürlich in der Elektronikindustrie vielfältig Anwendung. Denn in der Elektronik benötigt man Oberflächen mit besonderen Anforderungen für die Aufbau- und Verbindungstechnik. Gerade Goldoberflächen zeichnen sich hier aufgrund der guten Materialeigenschaften aus. Allein im Jahr 2018 wurden ca. 290.000 kg Gold in der Elektronikindustrie verarbeitet (aktueller Preis für 1 kg Gold: ca. 45.000€). Die Aufgabe der Oberflächentechnik ist es daher Beschichtungsprozesse bereitzustellen, die kostengünstig dünne, oft auch selektiv (also punktuelle) Goldoberflächen realisieren können. Aber wie macht man so etwas in der Praxis?
Die Arbeitsgruppe um Prof. Frank Köster beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung von galvanotechnischen Prozessen und unter anderem auch die der Goldgalvanik. Galvanotechnische Prozesse beinhalten Abscheidungen mit Strom (Zwang von außen) als auch außenstromlose (freiwillig ablaufende Reaktionen) mit denen Oberflächen entsprechend der gewünschten Funktionalität beschichtet werden. Dafür werden Elektrolyte, also wässrige Lösungen, mit diversen Inhaltsstoffe, unter anderem Gold Ionen, für die Schichtbildung entwickelt und erforscht. Wie sehen diesbezüglich die Forschungsarbeiten aus?
Aktuell werden zurzeit fast alle galvanisch abgeschiedenen Schichten mithilfe von Kalium-Gold-Cyanid (K[Au(CN2)]) als Ausgangskomponente realisiert. Cyanide sind sehr giftig und dürfen nur unter besonderen Sicherheitsvorkehrungen eingesetzt werden. Im Rahmen seiner Promotionsarbeit hat sich Herr Rayko Ehnert der Aufgabe gestellt, das Cyanid durch weniger toxische Stoffe zu ersetzen. In der Abbildung 2 ist die Umsetzung vereinfacht dargestellt.
Zuerst wird der Werkstoff Gold mit Strom anodisch in Lösung gebracht. Anschließend wird das hergestellte Goldsalz gereinigt, um es dann als Ausgangskomponente für einen neuen Elektrolyten zu nutzen. Die Herausforderung liegt hierbei in der Stabilität der neuen Goldverbindung, denn Gold hat das Bestreben, in elementarer Form vorzuliegen. Mit der Synthese von der neuen Verbindung: Dithioharnstoff-Gold(I)-Methansulfonat (in einer getrennten Zelle siehe Abbildung 3) ist es gelungen, einen Cyanid-freien und in wässrigen Lösungen stabilen Gold Komplex darzustellen.
Mit dieser neuen Verbindung konnte ein Elektrolyt entwickelt werden, mit dem eine Goldabscheidung auf Leiterplattensubstraten ohne die Verwendung von Cyanid realisiert werden konnte (siehe Abb.: 2). Für diese innovative Entwicklung hat Herr Ehnert den DGO (Deutsche Gesellschaft für Oberflächentechnik e.V.) den Nachwuchsförderpreis 2019 erhalten.
Link zu den Seiten der Forschungsgruppe
Rätselfrage:
Welche Stoffgruppe soll zukünftig bei der Herstellung von Goldschichten ersetzt werden?
Der vierte Buchstabe des Lösungswortes steht an vierter Stelle im Gesamtlösungswort.
Weitere Hinweise zum Adventskalenderrätsel finden Sie hier.
Text: Prof. Frank Köster, Professur Verfahrenstechnik/Oberflächentechnik
Fotos: privat