L’oro brilla. Lo ha sempre fatto, lo farà sempre.
Non arrugginisce. Non si ossida. Se ne sta lì, brillante e ostinatamente giallo, a prendersi gioco del resto della tavola periodica. Chiamiamo questa nobiltà chimica. Significa che il metallo sostanzialmente ignora il mondo che lo circonda. L’ossigeno arriva cercando di legarsi? Gold dice no, grazie.
Questa resistenza è leggendaria. Ma nessuno sapeva esattamente perché, almeno a livello atomico. Finora.
I chimici computazionali Santu Biswas e il suo partner Matthew M. Montemore della Tulane University hanno eseguito le simulazioni. Hanno decifrato il codice.
La geometria della superficie. Questo è tutto. Questa è la battuta finale.
Il problema dell’adattamento stretto
Nell’oro sfuso, quello che si trova nei tuoi gioielli, gli atomi sulla superficie si ammassano insieme come una folla a un concerto tutto esaurito. Un modello esagonale. Strettamente avvolto. Nessuno spazio per muoversi.
Quando una molecola di ossigeno (diossigeno) colpisce quella superficie, vuole rompersi in due atomi reattivi in modo che possa iniziare a corrodere il metallo. Ecco come si forma la ruggine. Ma sull’oro non c’è spazio.
La molecola urta contro il muro di atomi d’oro. Non può incastrarsi. Non può rompersi. Rimbalza e basta.
Il modello è così stretto che l’ossigeno non può rompersi innescando l’ossidazione.
È un semplice gioco di pollo vinto dai vincoli di spazio. L’oro non respinge attivamente l’ossigeno; semplicemente non ha lo spazio fisico affinché la chimica possa avvenire. Lo stretto imballaggio esagonale è in realtà la disposizione più stabile e confortevole per gli atomi d’oro. L’anticorrosivo? Questo è solo un felice effetto collaterale dell’essere a proprio agio.
Aspetta, le nanoparticelle esistono
Ecco il problema. Se l’oro sfuso è inerte, perché gli scienziati si entusiasmarono così tanto negli anni ’80 quando scoprirono che le nanoparticelle d’oro erano eccellenti nell’attivare l’ossigeno?
Le nanoparticelle sono minuscole. Catalizzano reazioni come la conversione del monossido di carbonio tossico in anidride carbonica innocua. Perché funzioni, hai * bisogno * di ossigeno reattivo. Hai bisogno che il diossigeno si divida.
Quindi, se l’oro sfuso resiste così duramente all’ossigeno, come fanno le minuscole particelle a favorire l’ossidazione così facilmente? Non aveva senso.
Biswas e Montemor e hanno osservato le strutture superficiali di queste minuscole particelle nei loro modelli computerizzati. Hanno confrontato due configurazioni.
- Superfici ricostruite. Le confezioni strette ed esagonali.
- Superfici non ricostruite. Motivi più larghi e quadrati.
I risultati furono sconcertanti.
Sulle superfici quadrate sciolte, l’ossigeno si divideva senza sforzo. In effetti, è successo da miliardi a trilioni di volte più facilmente rispetto a quelli esagonali stretti. La geometria aveva semplicemente abbastanza spazio di manovra. Abbastanza “acquisto”, come dicono i ricercatori, perché la molecola si apra da sola.
Progettare il catalizzatore
Questo spiega il paradosso. Piccole particelle d’oro probabilmente non formano completamente quella struttura esagonale perfetta e stretta. Mantengono esposte alcune di quelle zone larghe e quadrate.
L’oro non è nobile perché odia l’ossigeno. È nobile perché la sua forma preferita non soddisfa i requisiti di ossigeno.
Cambiare forma? Tu cambi la chimica.
I risultati suggeriscono che possiamo progettare superfici dorate appositamente per mantenere quei motivi quadrati reattivi. Oppure sopprimerli se vogliamo stabilità. Possiamo modificare la geometria per bilanciare la resistenza alla corrosione con il potere catalitico.
“La creazione di superfici con strutture quadrate o rettangolari può migliorare l’attività catalitica”, hanno scritto i ricercatori.
Quindi forse l’oro non è così pigro come pensavamo. Forse semplicemente indossava l’abito sbagliato. Ora che sappiamo che il taglio dell’abito è importante, possiamo personalizzarlo.
Resta da vedere se utilizzeremo questa conoscenza per pulire l’aria o semplicemente per creare gioielli migliori. L’oro rimane giallo in ogni caso. Ma la porta della reattività? Questo si è semplicemente spalancato.
