Goldrubinglas ist ein rot gefärbtes Glas, dessen Farbe durch kolloidale, metallische Goldteilchen erzeugt wird. Nach der Schmelze bei ca. 1400°C ist das Glas nach raschem Abkühlen auf Raumtemperatur zunächst farblos. Die färbenden Goldteilchen bilden sich erst während des Temperns bei 500°C bis 600°C innerhalb von Minuten bzw. Stunden. In dieser Arbeit werden die chemischen Zustände des Goldes und physikalischen Vorgänge der Partikelbildung unter Einfluss verschiedener Zusätze wie Zinn, Blei, Antimon und Selen in Natriumsilikatglas vor, während und nach der Färbung mittels Mößbauerspektroskopie an 197Au, 119Sn und 121Sb, optischer Spektroskopie und Röntgenbeugung untersucht. Das Gold liegt im ungetemperten, farblosen Zustand der Gläser als einwertig in einer linearen Bindungssituation mit zwei Sauerstoffliganden vor. Der Lamb-Mößbauer-Faktor dieser Gold-Oxid-Bindung bei 4,2K wird als 0,095 festgestellt. Während des Temperns ist erwartungsgemäß ein starker Zuwachs an metallischen Gold in den Goldrubingläsern bei gleichzeitiger Verringerung des einwertigen Goldoxidanteils festzustellen. Das oxidische Gold wandelt sich bei der Temperung in Goldteilchen von 3 bis 60 nm Durchmesser um, die Aufgrund ihrer Wechselwirkung mit Licht in sichtbaren Spektralbereich durch Plasmonenanregung und Interbandübergänge hauptsächlich den grünen und teilweise auch den blauen Spektralbereich absorbieren. Die Größe der Goldpartikel ist sowohl aus den optischen Spektren als auch durch die Mößbauerspektren an Gold in gewissen Größenbereichen gut bestimmbar. Die der Oberflächenschicht der Goldteilchen zugewiesene Komponente im Mößbauerspektrum lässt durch Vergleich mit dem Anteil an metallischem Kern der Goldteilchen eine Größenberechnung zu. Die Farbentwicklung bzw. Farbnuance wird durch Zusatzstoffe wie Zinn, Blei, Antimon oder Selen stark beeinflusst. Zinn wirkt dabei als Keimbildner der Goldpartikel und ist daher auch als Legierungspartner in den Goldpartikeln zu identifizieren. Zinn führt daher zu höherer Anlaufgeschwindigkeit und zu kleineren Goldpartikeln. Antimonoxid als auch Bleioxid stehen während der Schmelze als Oxidationspartner für das Gold zur Verfügung. Sie erzeugen beide im Bereich der Schmelztemperatur ausreichend hohen Sauerstoffüberdruck, um das Gold leicht in den oxidischen Zustand zu überführen. Während Bleioxid auch im Temperaturbereich der Temperung immer noch einen Sauerstoffüberdruck erzeugt und so eine Reduktion des Goldes bzw. Partikelbildung verhindert, steht Antimonoxid dem Gold als Reduktionspartner beim Tempern zur Verfügung und unterstützt eine gute Färbung des Glases. Auch in den farblosen Gläsern ist ein Anteil an metallischem Gold in den Mößbauerspektren festzustellen. Untersuchungen mittels Röntgenbeugung zeigen, dass dies Goldpartikel im Bereich von 100 nm bis 300 nm Durchmesser sind und daher in keiner Weise zur Verfärbung im sichtbaren Bereich betragen. Der Prozess der Färbung bzw. Partikelbildung während des Tempern ist reversibel. Nach Einschmelzen der bereits gefärbten Gläser sind diese nach dem raschen Abkühlen auf Raumtemperatur wieder farblos. Die Mößbauerspektren an Gold entsprechen qualitativ denen, die in den ursprünglichen farblosen Gläsern gemessen worden sind.
Übersetzte Kurzfassung:
Gold-ruby glass is a red coloured glass, in which colour is caused by colloidal, metallic gold particles. After melting at a temperature of 1400°C and following rapid cooling to ambient temperature the glass remains colourless. Only upon annealing for minutes or hours between about 500-700°C does the red colour strike as a result of the nucleation and growth of small metallic gold particles. In this theses, the chemical states of gold and the physical mechanisms of the growing process of the particles under the influence of additional ingredients like tin, lead, antimony and selenium before, during and after the colouring process are investigated by using the Mößbauer spectroscopy on 197Au, 119Sn and 121Sb, optical spectroscopy and x-ray-diffraction. Gold in an unnealed, colourless state of the glasses consists of monovalent forming linear bonds to two neighbouring oxygen atoms. The Lamb-Mößbauer factor of these gold oxide bondings is observed as 0.095 at 4.2K. As expected during the annealing there is a strong increase of metallic gold in the gold-ruby glasses with simultanious decrease of the monovalent gold. The gold in it's oxide state transforms to gold particles with a diameter of 3 nm to 60 nm. Due to their interaction with light in the visible spectrum, caused by plasmon and band structure extinction, the gold particles absorb the green and a part of the blue spektrum as well. The size of the gold particles is quite definable within the optical spectra and certain sizes are also discernable within the Mößbauer spectra. One component of the Mößbauer spectra is assigned to the surface layer of the gold particles. By comparing this surface component with the amount of the bulk metallic core, one can calculate the size of the gold particles. The development and the kind of colour is strongly influenced by the additional presence of items like tin, lead, antimony and selenium. Tin acts as a crystillization center, giving rise to the existance of a gold tin alloy, for example. Hence, tin leads to a higher velocity of colouring and to the creation of smaller gold particles, when present. Antimonyoxide, as well as leadoxide, are available as oxidation partners during the melting proces. Around the melting temperature both generate a sufficient high oxygen overpressure so that the gold easily can be transferred to the oxide state. While leadoxide, at temperatures for annealing, still creates an overpressure of oxide and therefore prevents the reduction of gold and respectively the growing of particles, antimonyoxide works as reduction partner during the annealing und provides a good colouring of the glass. In the Mößbauer spectra of the colourless glass one also can find parts of bulk metallic gold. Investigations with x-ray diffraction show that these are gold particles with a diameter of 100 nm to 300 nm and therefore have no additional colouring effect within the visible spectrum. The process of colouring and respectivly growing of particles during annealing is reversable. After melting of the already coloured glasses and cooling down to ambient temperature one can find, that they are colourless again. The Mößbauer spectra on gold of the remelt glasses are similar to those which have been measured on the initial colourless glasses.
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