Dlaczego złoto nie śniedzieje? Naukowcy rozwiązali zagadkę
Złoto jest wyjątkowo trwałym kruszcem i odpornym na śniedzenie. Do tej pory myślano, że to przez brak reakcji z tlenem. Teraz jednak najnowsze badanie rzuciło światło, skąd dokładnie biorą się cudowne właściwości złota i w jaki sposób mogą nam pomóc w innych dziedzinach.
Sekret trwałości szlachetnego kruszcu
Jak się okazuje odporność na śniedzenie złota, nie wynika wyłącznie z chemicznych właściwości surowca, lecz z ułożenia atomów na jego powierzchni. Odkrycia dokonali naukowcy z Tulane University i podzielili się nim na łamach czasopisma naukowego Physical Review Letters.
Badacze dowiedli, że atomy na pewnych złotych powierzchniach w naturalny sposób tworzą struktury ochronne, które w bardzo poważny sposób utrudniają reakcje tlenu z tym metalem szlachetnym.
Nowo odkryty mechanizm tłumaczy, dlaczego biżuteria, monety i inne przedmioty ze złota potrafią zachować swój blask przez wieki. Odkrycie może też pomóc naukowcom w opracowaniu skuteczniejszych katalizatorów opartych na złocie, wykorzystywanych w przemyśle wytwórczym i technologiach czystej energii.
"Powszechnie sądzono, że złoto nie śniedzieje po prostu dlatego, że słabo reaguje z tlenem" – powiedział Matthew Montemore, profesor nadzwyczajny inżynierii chemicznej w Tulane School of Science and Engineering. "Pokazaliśmy jednak, że w przypadku dwóch najbardziej powszechnych typów powierzchni złota atomy powierzchniowe faktycznie przegrupowują się w sposób, który czyni złoto znacznie bardziej odpornym na utlenianie."
Aby zbadać ten proces, Montemore wraz ze współautorem Santu Biswasem, postdoktorantem na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Biomolekularnej Tulane University, wykorzystali symulacje komputerowe modelujące zachowanie atomów i elektronów. Naukowcy sprawdzili, jak cząsteczki tlenu wchodzą w interakcję z dwoma powszechnymi typami powierzchni złota.
Symulacje wykazały, że gdyby atomy powierzchniowe się nie przegrupowywały, cząsteczki tlenu mogłyby znacznie łatwiej się rozszczepiać i reagować ze złotem. Tymczasem przebudowa struktury atomowej drastycznie ogranicza te reakcje.
Według badaczy przegrupowane powierzchnie ograniczają reakcje z tlenem co najmniej miliardkrotnie, a niekiedy nawet bilionkrotnie. W efekcie powstaje ochronna bariera w skali atomowej, dzięki której złoto zachowuje swój błysk w zasadzie na wieczność.
To odkrycie nie jest tylko rozwiązaniem zagadki chemicznej, ale może mieć realne konsekwencje dla wielu gałęzi przemysłu, szczególnie te wykorzystujące proces katalizy.
Katalizatory na bazie złota, przyspieszające reakcje chemiczne, są już wykorzystywane w kilku przemysłowych procesach utleniania. Jednak ta sama właściwość, która czyni złoto wyjątkowo odpornym na tlen i idealnym do zastosowań jubilerskich oraz elektronicznych, ogranicza jego skuteczność w niektórych reakcjach przemysłowych i energetycznych.
Katalizatory złoto-pallad wykorzystuje się na przykład do produkcji octanu winylu – jest to kluczowy składnik wielu tworzyw sztucznych i innych produktów. Naukowcy badają też zastosowanie katalizatorów złota do usuwania tlenku węgla ze spalin samochodowych oraz do produkcji tlenku propylenu, kolejnego szeroko stosowanego związku przemysłowego.
Dotychczasowe próby poprawy działania katalizatorów złota polegały głównie na łączeniu złota z innymi metalami lub wykorzystywaniu drobnych nanocząstek złota osadzonych na powierzchniach tlenkowych. Nowe wyniki sugerują, że istnieje inna droga. Kontrolując geometrię powierzchni złota i sposób ułożenia jego atomów, naukowcy mogliby poprawić właściwości katalityczne tego metalu, opierając się jednocześnie na głębszym zrozumieniu tego, dlaczego złoto od wieków pozostaje odporne na śniedzenie.
