Серебро темнеет, медь зеленеет, железо ржавеет — а золото всегда остается блестящим. Понятно, что оно химически инертно — оставалось только неясным, почему и как эту особенность преодолеть.
Объяснение нашли инженеры-химики Мэттью Монтемор и Санту Бисвас из Тулейнского университета в Луизиане и рассказали о нем в журнале Physical Review Letters.
Нежелание золота реагировать ни с чем, включая кислород воздуха, обусловлено атомной реконструкцией — она происходит сразу, когда обнажается свежая поверхность металла.
«Атомы настолько "не любят" оставаться на поверхности, что полностью перестраиваются», — объясняет Монтемор.
Чаще всего они выстраиваются в повторяющиеся шестиугольники и дальше уже не перемещаются, потому что это самая энергетически выгодная конфигурация. Реконструкция среди металлов встречается нечасто, поэтому исследователи задались вопросом: не она ли причина инертности золота?
С помощью суперкомпьютера они смоделировали квантовые состояния атомов при нескольких вариантах перестройки, возможных во время реконструкции, и проанализировали их взаимодействие с кислородом. Чтобы поверхность золота немного потускнела, молекула кислорода должна сначала распасться на два атома при ударе об нее. По расчетам, в случае гексагональной структуры поверхности для этого нужна слишком большая энергия, а в прямоугольной конфигурации энергии требуется куда меньше.
Поскольку шестиугольная структура встречается чаще, золото обычно остается блестящим. Связь между геометрией атомов, реконструкцией и окислением раньше никто не рассматривал, подчеркивает Бисвас.
Теперь, когда это стало понятно, исследователи смогут сделать золото более полезным катализатором, говорит профессор Хунлян Синь из Вирджинского политехнического университета.
«Самое интересное, что каталитическими свойствами золота можно управлять, контролируя реконструкцию его поверхности», — отмечает он.
По словам Монтемора, один из способов такого управления — например, чтобы подтолкнуть атомы к менее инертной по отношению к кислороду прямоугольной конфигурации — это поместить кусочек золота в электрическую цепь и подать напряжение.
«Эта работа говорит о том, чего раньше, возможно, никто не замечал. Экспериментаторам определенно есть куда здесь смотреть», — считает профессор Эндрю Бил из Университетского колледжа Лондона.
По его словам, идея использовать золото как катализатор уже подтверждена для некоторых реакций на наночастицах этого металла. Так что задача сделать золото полезным таким новым способом вполне реальна, но остаются вопросы о том, как применить результаты анализа к объектам вроде тех самых наночастиц, которые обычно имеют изогнутую поверхность, добавляет Бил.
Исследователи намерены расширить свой анализ — изучить реакции не только с кислородом, но и с другими молекулами, а также сплавы золота, а не только чистый металл.
Химики случайно соединили водород с золотом
Раскрыт секрет ослепительного блеска японского сусального золота толщиной 100 нм
Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX