Ученые обнаружили атомную причину, по которой золото не ржавеет

Фото из открытых источников

Есть несколько веских причин, почему золото является одним из самых ценных металлов на Земле. Не последнюю роль в этом играет его ослепительный блеск. В отличие от многих других металлов, золото чрезвычайно устойчиво к ржавчине, потускнению и коррозии – оно будет сиять таким же ярким желтым цветом и через тысячи лет, как и сегодня.

Это свойство известно как химическое благородство, что означает низкую реакционную способность элемента.

Золото — самый благородный из всех известных металлов: оно не вступает в реакцию с такими веществами, как кислород, который связывается с атомами на поверхностных слоях других металлов, образуя ржавчину или потускнение.

Теперь же специалисты по вычислительной химии Санту Бисвас и Мэтью М. Монтемор из Тулейнского университета в США выяснили, почему это происходит. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Согласно их исследованиям, расположение атомов на поверхности золота образует настолько плотную структуру, что молекула кислорода, которая в противном случае взаимодействовала бы с ним, не может легко распасться, чтобы вызвать окисление.

Если немного ослабить эту закономерность, золото может стать значительно более уязвимым к ржавчине, но это на самом деле может быть и хорошо.

В химии активация кислорода является важным этапом, позволяющим протекать другим реакциям. Например, для превращения оксида углерода в диоксид углерода необходим свободный, реакционноспособный атом кислорода, который может присоединиться к CO₂ и образовать CO₂.

Для этого ученые могут «активировать» дикислород, используя металлическую поверхность, которая помогает расщепить молекулу на два высокореактивных атома кислорода.

Золото было бы особенно подходящим катализатором для этой реакции, поскольку оно очень инертно – то есть, оно не вступает в сильные реакции с другими атомами или молекулами.

Некоторые катализаторы активации кислорода обладают гораздо большей реакционной способностью, что может приводить к образованию нежелательных побочных продуктов, или же сам катализатор слишком прочно связывается с кислородом и со временем подвергается коррозии.

Можно подумать, что золото — неподходящий материал для подобных работ, но в 1980-х годах учёные сделали шокирующее открытие.

Хотя само по себе золото в больших количествах не подходит для катализа кислородом, наночастицы золота на удивление эффективно активируют кислород.

Это открытие подняло важный вопрос.

Если золото так сильно сопротивляется воздействию кислорода, то как эти крошечные частицы вообще способны запускать реакции окисления?

Новое исследование предполагает, что ответ может заключаться в способе расположения атомов на поверхности золота.

Бишвас и Монтемор использовали компьютерное моделирование для изучения того, что происходит, когда молекулы кислорода вступают в контакт с наноскопическими золотыми поверхностями с различным расположением атомов.

В частности, они изучали два разных типа структур: «реконструированные» поверхности, где атомы располагаются в плотно упакованной гексагональной структуре, которую золото предпочитает в природе; и «нереконструированные» поверхности, которые образуют более рыхлые квадратные структуры.

Разница между двумя типами поверхностей была разительной.

На реконструированных поверхностях взаимодействие происходило именно так, как и ожидалось. Молекула кислорода не смогла легко расщепиться на два атома кислорода, как это наблюдалось в реальных сценариях с участием объемного золота.

На нереконструированных поверхностях ситуация была совершенно иной. Молекулы кислорода расщеплялись довольно легко.

Результаты моделирования показывают, что это происходит потому, что на плотно упакованной гексагональной поверхности молекулы кислорода не могут найти достаточно места для легкого расщепления.

Квадратные узоры имеют более свободную геометрию благодаря наличию пространства, и молекулы кислорода могут гораздо легче найти достаточное место для расщепления.

Насколько легче? Как выяснили исследователи, разница во много порядков. Диссоциация кислорода происходила в миллиарды и триллионы раз легче на нереконструированных поверхностях, чем на реконструированных.

Это может помочь объяснить, почему крошечные золотые наночастицы ведут себя так иначе, чем золото в целом. Маленькие частицы могут не полностью формировать плотно упакованные реконструированные поверхности, наблюдаемые в более крупных кусках золота, оставляя более реакционноспособные квадратные области открытыми.

Плотное расположение атомов на поверхности золота в объеме не обязательно предназначено для сопротивления окислению; это просто наиболее стабильная конфигурация металла. Коррозионная стойкость — это лишь приятный побочный эффект этого явления.

Новые результаты могут помочь ученым в разработке золотых катализаторов, которые обеспечивают баланс между коррозионной стойкостью и эффективной активацией кислорода.

«Это позволяет по-новому понять, почему золото настолько инертно по отношению к кислороду, и предполагает, что создание поверхностей с квадратной или прямоугольной структурой может значительно улучшить каталитическую активность в реакциях окисления на золоте», — пишут исследователи. «Наши результаты предлагают новую стратегию для разработки катализаторов на основе золота, которые минимизируют перестройку или стабилизируют квадратные мотивы для повышения активации дикислорода».