Одной из самых известных характеристик золота является его удивительный желтый блеск, который долго сохраняется и не теряет насыщенности. Это связывают с тем, что золото слабо реагирует с окружающим кислородом. Однако точные физические механизмы, приводящие к этому, изучены были крайне слабо. Новая работа, опубликованная в Physical Review Letters, приоткрывает завесу тайны.
Золото становится «закрытым» для реакций с кислородом из-за того, что атомы на поверхности металла выстраиваются в такие структуры, которые подавляют взаимодействие с этим окислителем. Такой микроскопический барьер позволяет золоту долго сохранять блеск, а также обусловливает некоторые иные химические характеристики, которые могут пригодиться в прикладном смысле в промышленности и науке.
Видимый цвет тех или иных объектов во многом определяется молекулярной химией — тем, как свет взаимодействует с электронами материала. В случае с металлами делокализованные электроны поглощают и повторно испускают фотоны в широком диапазоне. Особенность золота в том, что релятивистские эффекты заставляют его электроны двигаться со скоростью, превышающую половину скорости света. Это приводит к поглощению части голубых фотонов, «вырезав» которые золото получает характерный желтый цвет.
Поэтому ученые решили искать в атомарном и молекулярном движении секрет и слабого взаимодействия золота с кислородом. Для этого анализу подверглись два наиболее распространенных типа золотых поверхностей. Авторы работы использовали компьютерное моделирование, чтобы понять поведение атомов и электронов на поверхности золота при встрече с молекулами кислорода.
Исследователи пришли к выводу, что присущего золоту слабого взаимодействия с кислородом самого по себе недостаточно, чтобы сделать его устойчивым к окислению в наблюдаемой степени. Оказывается, кислород от взаимодействия с золотом удерживает гексагональная структура атомов последнего, образуемая на поверхности материала. Она не позволяет атомам кислорода вступать во взаимодействие с электронами золота. Причем модели показали, что если принять структуру за прямоугольную, то степень взаимодействия возрастает.
Это открытие можно применять на практике. Золото часто используется в промышленности и науке как катализатор. Однако его специфические отношения с кислородом накладывают определенные условия и ограничения на применение золота. Если учесть новые данные о влиянии атомной структуры на химические характеристики, то можно создать более эффективные катализаторы на основе золота.
Ранее мы рассказывали, как в Японии создали «умное» золото.