Zlaté se třpytí. Vždy se třpytil a vždy bude zářit.
Nereziví. Nevybledne. Jen tam sedí, jasně a tvrdohlavě žlutá, zesměšňuje zbytek prvků v periodické tabulce. Říkáme tomu chemická ušlechtilost. To znamená, že metal v podstatě ignoruje svět kolem sebe. Blíží se kyslík s touhou po spojení? Zlato zdvořile odmítá.
Tato odolnost je legendární. Ale až donedávna nikdo přesně nevěděl proč — alespoň na atomové úrovni.
Simulace provedli počítačoví chemici Santu Biswas a jeho kolega Matthew M. Montmore z Tulane University. Rozluštili kód.
Geometrie povrchu. To je vše. To je podstata.
Problém těsného balení
V masivním zlatě – druhu, ze kterého se vyrábí šperky – jsou atomy na povrchu nacpané tak těsně k sobě jako dav na koncert, na který už nezbývají lístky. Šestihranný (šestihranný) vzor. Pevná spirála. Ani palec místnosti pro pohyb.
Když molekula kyslíku (dikyslík) narazí na tento povrch, chce se rozdělit na dva aktivní atomy, aby začaly „požírat“ kov. Tak vzniká rez. Na tohle ale ve zlatě není místo.
Molekula narazí na stěnu z atomů zlata. Nemůže se dostat dovnitř. Nelze roztrhnout. Prostě se odrazí.
Vzorek je tak hustý, že se kyslík nemůže rozložit a zahájit oxidační proces.
Jedná se o jednoduchou hru “samozřejmě” vyhranou omezením prostoru. Zlato aktivně neodpuzuje kyslík; prostě nemá fyzický prostor pro chemické reakce. Těsné šestiúhelníkové balení je ve skutečnosti nejstabilnější a „nejpohodlnější“ konfigurace pro atomy zlata. A co antikorozní vlastnosti? Je to jen příjemný vedlejší efekt pohodlí.
Ale existují nanočástice
V tom spočívá háček. Pokud je objemové zlato chemicky inertní, proč byli vědci v 80. letech tak nadšení, když zjistili, že nanočástice zlata jsou vynikající při aktivaci kyslíku?
Nanočástice jsou malé. Katalyzují reakce, jako je přeměna toxického oxidu uhelnatého na neškodný oxid uhličitý. Aby to fungovalo, potřebujete aktivní kyslík. Chcete, aby dikyslík praskl.
Pokud je tedy pevné zlato tak odolné vůči kyslíku, jak nanočástice tak snadno spouštějí oxidaci? Nedávalo to smysl.
Biswas a Montmore studovali povrchové struktury těchto drobných částic ve svých počítačových modelech. Porovnávali dvě konfigurace:
- Obnovené povrchy. Husté šestihranné těsnění.
- Nerestaurované povrchy. Volné čtvercové vzory.
Výsledky byly ohromující.
Na volných čtvercových plochách se kyslík snadno a přirozeně rozpadal. Ve skutečnosti se to stalo miliardy a bilionkrát snadněji než na hustých šestiúhelníkových plochách. V geometrii bylo zkrátka dostatek prostoru pro manévrování. Dostatek „háčku“, jak uvedli vědci, stačí k tomu, aby se molekula rozpadla.
Design katalyzátoru
To vysvětluje paradox. Drobné zlaté částečky pravděpodobně netvoří úplně dokonalou, hustou šestihrannou strukturu. Některé z těch volných čtvercových ploch nechávají otevřené.
Zlato je ušlechtilé ne proto, že by nesnášelo kyslík. Je ušlechtilý, protože jeho preferovaná forma nesplňuje požadavky na kyslík.
Změnili jste formu? Změnili chemii.
Tato zjištění naznačují, že můžeme specificky zkonstruovat zlaté povrchy, abychom zachovali tyto reaktivní čtvercové motivy. Nebo je potlačit, pokud potřebujeme stabilitu. Můžeme upravit geometrii tak, aby byla vyvážena odolnost proti korozi a katalytická síla.
“Vytvoření povrchů se čtvercovými nebo obdélníkovými strukturami může zvýšit katalytickou aktivitu,” napsali vědci.
Takže možná zlato není tak líné, jak jsme si mysleli. Možná to mělo jen špatné oblečení. Nyní, když víme, že na střihu obleku záleží, můžeme ho přizpůsobit.
Zda tyto znalosti poslouží k čištění vzduchu nebo prostě k vytvoření lepších šperků, ukáže čas. Zlato v každém případě zůstane žluté. Ale dveře k reaktivitě? Právě se otevřel dokořán.
