Золото просто лежит себе. Сверкает. Пренебрегает логикой.
Серебро тускнеет. Медь покрывается той самой некрасивой зеленой патиной. Железо? Железо сгнивает в прах. Золото отказывается участвовать в этом празднике увядания. Мы знали что происходило — металл оставался химически инертным, отказываясь дружить с кислородом из воздуха, — но почему так происходило, оставалось черным ящиком. До сегодняшнего дня.
Оказывается, дело в геометрии. И в том, как сильно атомы ненавидят свою жизнь на поверхности.
Поверхностное натяжение
Золото — сноб.
Оно не вступает в реакции. Ни с молекулами, ни с воздухом. Для ювелиров это рай. Ожерелье вашей бабушки выглядит так же, как в день отливки. Для химиков же эта апатия — головная боль. Золото могло бы стать потрясающим катализатором для самых разных реакций. Оно просто слишком упрямое. Слишком инертное. Чтобы заставить золото работать, его нужно тащить с криком и плачем из зоны комфорта.
Здесь в дело вступают Мэттью Монтеморе и Санту Бисас из Тьюланского университета. Они изучали специфический феномен, называемый «реконструкцией».
Отрежьте кусок золота. Создайте свежий срез. Атомы на этой новой поверхности не просто сидят сложа руки. Они паникуют.
«Атомы настолько ненавидят находиться на поверхности, что полностью перестраиваются», — говорит Монтеморе.
Они перебираются. Обычно в гексагональную форму. Как пчелиные соты. Как структура меда. Как только они находят эту форму, они фиксируются в ней. Это энергетически комфортно. Они перестают двигаться. Большинство металлов не заморачиваются подобной драмой. Исследователи заподозрили, что эта ленивая перестройка — причина, по которой золото играет в трудного дога с химическими веществами.
Форма лени
Итак, они включили суперкомпьютер.
Они смоделировали квантовые состояния. Они наблюдали, как цифровые атомы золота танцуют с цифровыми молекулами кислорода.
Вот механизм: чтобы золото почернело — то есть действительно изменило цвет или утратило блеск, — молекула кислорода должна удариться о него и разделиться надвое. Легко?
Отнюдь.
Если атомы золота расположены в удобной гексагональной решётке? Энергетический барьер для расщепления кислорода огромен. Слишком высок. Кислород просто отскакивает. Золото остаётся блестящим.
Перевернем сценарий. Расположим атомы прямоугольником.
Снижение энергии становится значительным. Расщепление становится возможным. Окисление становится вероятным.
Однако гексагоны — это настройка по умолчанию. Золото выбирает комфорт. Оно остаётся блестящим, потому что его атомы предпочитают быть ленивыми, а не реактивными.
Санту Бисас отмечает, что эта связь — когда геометрия диктует устойчивость к окислению — ранее практически не изучалась. Кто бы мог подумать, что форма спасёт от коррозии?
Понимание этой связи может наконец раскрыть потенциал золота как химического рабочего лошадки.
Золото в цепи?
Почему вам должно быть интересно блестящее металл?
Хунлиан Син из Технологического института Вирджинии считает, что это открывает дверь. Если мы знаем, что реконструкция контролирует реакционную способность золота, мы можем принудительно влиять на этот процесс.
«Мы можем настраивать каталитические свойства», — говорит Син.
Как?
Электричеством.
Поместите золото в цепь. Подайте напряжение. Слегка подтолкните эти упрямые гексагональные атомы, заставив их выстроиться в прямоугольники. Заставьте их взаимодействовать. Это своего рода цифровое оригами. Если это сработает, золото снова станет серьёзным игроком в химии, а не просто декоративной прихотью.
Эндрю Бил из Университетского колледжа Лондона видит перспективы, но остаётся осторожным. Он указывает на то, что это уже было доказано на примере наночастиц золота — крошечных, изогнутых сфер, которые ведут себя иначе, чем плоские листы. Вопрос остаётся: применима ли суперкомпьютерная модель плоских гексагонов к грязной реальности искривлённых наночастиц?
Бил говорит, что, вероятно, да. Но «вероятно» — это не экспериментальное доказательство.
Монтеморе ещё не закончил.
Кислород был лишь разминкой. Теперь они изучают другие молекулы. Не чистые самородки, а золотые сплавы.
Загадка сверкающей монеты, возможно, разгадана. А вот её практическая польза? Это всё ещё в процессе строительства.
И честно говоря? Именно там всегда находится самое интересное.
В этой творческой неразберихе.
