Химическая пассивность золота, которая делает его идеальным ювелирным металлом, долгое время оставалась загадкой для науки. Группа исследователей из Тулейнского университета (США) впервые связала уникальную стойкость золота к окислению с геометрическим расположением его поверхностных атомов.
Открытие, о котором пишет научный журнал New Scientist, открывает путь к использованию золота в качестве мощного промышленного катализатора.
Почему золото не ржавеет? Феномен реконструкции
В отличие от железа, меди или серебра, золото сохраняет свой первоначальный блеск веками. Причина кроется в поведении атомов на так называемой «свежей» поверхности металла.
Как объясняют авторы исследования, физики Мэттью Монтемор и Санту Бисвас, атомы на границе раздела сред находятся в нестабильном энергетическом состоянии. Чтобы компенсировать этот дисбаланс, они полностью перестраивают свою структуру — этот процесс в физике твердого тела называется реконструкцией поверхности.
С помощью квантово-механического моделирования ученые установили, что в обычных условиях поверхностные атомы золота сжимаются, формируя сверхплотную шестиугольную (гексагональную) сетку.
Чтобы золото окислилось (потускнело), молекула атмосферного кислорода (O2) должна расщепиться на два отдельных атома при ударе о поверхность металла.
В гексагональной структуре (которая является стандартной для золота) этот процесс требует колоссальных затрат энергии. Молекулам кислорода просто «не за что зацепиться», они упруго отскакивают, и металл остается инертным.
В гипотетической прямоугольной структуре атомы расположены свободнее. Моделирование показало, что на такой поверхности энергия активации для расщепления кислорода требуется гораздо меньше, что делает золото восприимчивым к реакциям.
До сих пор в мировой науке никто не рассматривал прямую взаимосвязь между макроскопической инертностью золота и микроскопической геометрией его поверхностной реконструкции.
Зачем ученым «портить» золото?
Ювелирному делу открытие не угрожает, однако оно имеет огромное значение для зеленой химии и индустрии. Золото могло бы стать идеальным и долговечным катализатором для ускорения критически важных химических реакций, если бы удалось преодолеть его природную пассивность.
Мэттью Монтемор предложил необычное решение для управления этим процессом:
«Одним из способов принудительной перестройки атомов из шестиугольного узора в прямоугольный может стать контролируемое электрическое напряжение. Поместив золото в электрическую цепь, мы сможем буквально "включать" и "выключать" его химическую активность».
В ближайших планах исследовательской группы — расширить квантовые модели и протестировать, как перестроенная поверхность золота взаимодействует с другими газами и сложными молекулами, а также изучить каталитические свойства различных сплавов на основе золота.
