Чому золото не тьмяніє: вчені пояснили головний секрет дорогоцінного металу

Золото сто­лі­т­тя­ми вва­жа­є­ться одним із най­більш «вічних» мета­лів. Срібло тем­ніє, мідь вкри­ва­є­ться зеле­ною пати­ною, залі­зо іржа­віє, а золо­то навіть через деся­тки років зали­ша­є­ться бли­ску­чим майже без змін. Хімічна інер­тність золо­та була відо­ма давно, але фізи­ки й хімі­ки досі не до кінця розумі­ли, чому саме його поверх­ня настіль­ки пога­но вза­є­мо­діє з киснем та інши­ми речовинами.

Тепер дослі­дни­ки з Tulane University запро­по­ну­ва­ли нове поясне­н­ня цього фено­ме­ну. Їхня робо­та була опу­блі­ко­ва­на в жур­на­лі Physical Review Letters.

Чому золото не окислюється

Вчені дійшли виснов­ку, що голов­ну роль віді­грає так звана атом­на рекон­стру­кція поверх­ні. Коли на золо­ті з’яв­ля­є­ться свіжа поверх­ня — напри­клад після зрізу або меха­ні­чно­го пошко­дже­н­ня — атоми на ній майже одра­зу пере­бу­до­ву­ю­ться у більш ста­біль­ну структуру.

Найчастіше вони фор­му­ють щіль­ну гекса­го­наль­ну кон­фі­гу­ра­цію, тобто стру­кту­ру з повто­рю­ва­них шести­ку­тни­ків. Така форма вияви­ла­ся енер­ге­ти­чно дуже вигі­дною, тому атоми пра­кти­чно пере­ста­ють пере­мі­щу­ва­ти­ся. Саме ця пере­бу­до­ва, як вва­жа­ють дослі­дни­ки, і робить поверх­ню золо­та настіль­ки стій­кою до окислення.

Як учені це перевірили

Дослідники вико­ри­ста­ли супер­ком­п’ю­тер­не моде­лю­ва­н­ня кван­то­вих ста­нів ато­мів золо­та. Вони ана­лі­зу­ва­ли, як різні кон­фі­гу­ра­ції поверх­ні вза­є­мо­ді­ють із киснем.

Чому кисень майже не реагує із золотом

Щоб золо­то поча­ло тьмя­ні­ти, моле­ку­ла кисню повин­на спо­ча­тку роз­па­сти­ся на окре­мі атоми після кон­та­кту з поверх­нею мета­лу. Але для гекса­го­наль­ної стру­кту­ри золо­та на це потрі­бна занад­то вели­ка кіль­кість енер­гії. Через це реа­кція пра­кти­чно не запу­ска­є­ться, а поверх­ня зали­ша­є­ться ста­біль­ною та блискучою.

При цьому в інших кон­фі­гу­ра­ці­ях, напри­клад пря­мо­ку­тних, енер­гії для реа­кції потрі­бно зна­чно менше. Це озна­чає, що тео­ре­ти­чно золо­то можна зро­би­ти більш хімі­чно активним.

Значення відкриття за межами ювелірної справи

Відкриття ціка­ве не тіль­ки для поясне­н­ня бли­ску золо­та. Воно може впли­ну­ти й на роз­ви­ток ката­лі­за­то­рів. Каталізатори — це мате­рі­а­ли, які при­ско­рю­ють хімі­чні реа­кції. Зазвичай золо­то вва­жа­ють занад­то інер­тним для таких зав­дань, але на нано­рів­ні його вже вико­ри­сто­ву­ють у деяких реа­кці­ях. Тепер учені при­пу­ска­ють, що ката­лі­за­тор­ні вла­сти­во­сті золо­та можна буде кон­тро­лю­ва­ти, змі­ню­ю­чи стру­кту­ру його поверхні.

Як золото можуть зробити активнішим

Один із запро­по­но­ва­них мето­дів — вплив еле­ктри­чно­го поля. Дослідники вва­жа­ють, що пода­ча напру­ги може зму­шу­ва­ти атоми пере­бу­до­ву­ва­ти­ся з більш ста­біль­ної гекса­го­наль­ної форми у менш ста­біль­ну пря­мо­ку­тну структуру.

Навіщо це потрібно на практиці

Якщо поверх­ня золо­та стане більш реактив­ною, метал можна буде ефе­ктив­ні­ше вико­ри­сто­ву­ва­ти у про­ми­сло­вих ката­лі­за­то­рах, сен­со­рах і деяких висо­ко­те­хно­ло­гі­чних хімі­чних процесах.

Особливо пер­спе­ктив­ним напря­мом вва­жа­ють дослі­дже­н­ня золо­тих нано­ча­сти­нок, де вла­сти­во­сті поверх­ні віді­гра­ють клю­чо­ву роль.

Що досліджуватимуть далі

Наразі вчені ана­лі­зу­ва­ли вза­є­мо­дію золо­та пере­ва­жно з киснем. Наступним ета­пом стане дослі­дже­н­ня інших моле­кул і спла­вів золо­та. Також окре­мий інте­рес викли­ка­ють нано­ча­стин­ки, оскіль­ки їхня поверх­ня має скла­дну вигну­ту форму, яка може пово­ди­ти­ся іна­кше, ніж пло­ский метал.

Дослідники вва­жа­ють, що зв’я­зок між гео­ме­трі­єю ато­мів і хімі­чною актив­ні­стю мета­лів може вияви­ти­ся наба­га­то важли­ві­шим, ніж вва­жа­ло­ся раніше.