Благодаря своему неизменному сиянию и устойчивости к коррозии золото на протяжении тысячелетий оставалось одним из самых почитаемых металлов. Однако истинная причина, по которой этот драгоценный элемент не тускнеет, долгое время ускользала от понимания. Группа исследователей из Университета Тулейна, возглавляемая доцентом кафедры химической инженерии Мэтью Монтемором, наконец-то раскрыла атомный механизм, лежащий в основе этого феномена. Опубликованное в престижном журнале Physical Review Letters, исследование демонстрирует, что секрет золота кроется не столько в его химической инертности, сколько в уникальном расположении атомов на его поверхности.
Скрытая атомная защита золота
«Люди обычно думают, что золото не тускнеет просто потому, что оно не сильно взаимодействует с кислородом», — пояснил Монтемор. «Мы же показываем, что для двух наиболее типичных типов поверхности золота поверхностные атомы фактически перестраиваются таким образом, что золото становится гораздо более устойчивым к окислению». В ходе исследования, проведенного совместно с научным сотрудником Санту Бисвасом, специализирующимся на химической и биомолекулярной инженерии, использовалось компьютерное моделирование. Ученые детально изучали, как молекулы кислорода взаимодействуют с двумя распространенными типами золотых поверхностей, анализируя поведение как отдельных атомов, так и электронов.
Моделирование показало, что если бы поверхностные атомы не подвергались реструктуризации, кислород мог бы гораздо легче адсорбироваться и вступать в реакцию с золотом. Однако именно атомная перестройка, преобразующая грани распределения металла в структуру, напоминающую плечо, резко ограничивает этот процесс. Согласно полученным данным, такие реорганизованные поверхности уменьшают способность к адсорбции кислорода в диапазоне от миллиарда до триллиона раз. По сути, создается барьер атомного масштаба, который позволяет золоту сохранять свой блеск практически бесконечно, что объясняет, почему золотые украшения, монеты и другие предметы могут не тускнеть на протяжении веков.
Что это открытие означает для золотых катализаторов
Помимо объяснения одной из самых известных характеристик благородного металла, данное исследование имеет серьезные последствия для катализа. Катализаторы на основе золота, обладающие уникальными химическими свойствами, уже применяются в ряде промышленных процессов окисления. Однако парадокс заключается в том, что именно устойчивость к кислороду, делающая золото идеальным для ювелирных изделий и электроники, снижает его эффективность в некоторых химических производствах и энергетических реакциях. Например, золото-палладиевые катализаторы используются для синтеза винилацетата — ключевого компонента многих пластмасс. Ученые также изучают потенциал золота для создания эффективных катализаторов, способных удалять оксиды из выхлопных газов автомобилей или производить оксид пропилена, широко востребованный в промышленности.
«Если вам удастся обманом заставить золото эффективно диссоциировать кислород, оно действительно может стать очень эффективным катализатором», — отметил Монтемор. «Наша работа предлагает новый шаг для обеспечения достижения этой цели посредством предотвращения или обращения вспять поверхностных перестроек».
Новая стратегия для лучших катализаторов
До сих пор усилия по совершенствованию золотых катализаторов в основном сосредотачивались на объединении золота с другими металлами или использовании крошечных наночастиц золота на оксидных поверхностях. Новые результаты, однако, указывают на альтернативный путь. Контролируя геометрию поверхности золота и то, как перестраиваются его атомы, исследователи смогут не только улучшить каталитические свойства металла, но и постоянно углублять понимание того, почему золото оставалось незапятнанным на протяжении всей истории.