Золото не ржавеет, не зеленеет и не тускнеет — в отличие от серебра, меди и железа. Исследователи выяснили, что причина кроется в необычной перестройке атомов на поверхности металла. Это открытие может помочь превратить золото в эффективный катализатор.
Серебро тускнеет, медь зеленеет, железо ржавеет — но золото остаётся блестящим веками. Почему именно этот металл так устойчив к изменениям, долго оставалось загадкой. Теперь исследователи считают, что нашли ответ — и даже поняли, как заставить золото потускнеть.
Золото известно своей химической инертностью: оно почти не реагирует с окружающими молекулами, включая кислород. Это делает его идеальным материалом для ювелирных изделий, но ограничивает его применение в химии. Учёные давно подозревали, что золото могло бы стать отличным катализатором — если бы его можно было «вывести из инертности».
Маттью Монтемор и Санту Бисвас из Университета Тулейна изучили явление, называемое реконструкцией поверхности. Оно происходит, когда кусок золота разрезают или ломают, создавая новую поверхность.
«Атомы настолько не любят находиться на поверхности, что полностью перестраиваются», — объясняет Монтемор. Чаще всего они выстраиваются в повторяющийся гексагональный узор, который является энергетически выгодным и потому стабилен.
Реконструкция встречается не у всех металлов, и исследователи предположили, что именно она может объяснять необычную стойкость золота.
Чтобы проверить гипотезу, они использовали суперкомпьютер и смоделировали квантовые состояния атомов в разных вариантах перестройки поверхности. Затем они изучили, как эти структуры взаимодействуют с кислородом. Чтобы золото потускнело, молекула кислорода должна распасться на два атома при столкновении с поверхностью.
Симуляции показали: на гексагональной поверхности такое расщепление требует огромной энергии — настолько большой, что процесс почти невозможен. Но если атомы выстроены в прямоугольный узор, энергии нужно значительно меньше, и окисление становится реальным.
Поскольку гексагональная структура возникает чаще всего, золото остаётся блестящим. Бисвас отмечает, что связь между геометрией атомов, реконструкцией и устойчивостью к окислению раньше никто не рассматривал.
Это открытие может иметь практическое значение. По словам Хунляна Сина из Вирджиния Тек, понимание того, как перестройка поверхности влияет на реакционную способность, может помочь сделать золото эффективным катализатором.
Монтемор предполагает, что управлять реконструкцией можно, например, помещая золото в электрическую цепь и подавая напряжение, чтобы «подтолкнуть» атомы к менее инертной прямоугольной конфигурации. Эндрю Бил из Университетского колледжа Лондона считает, что работа открывает новое направление для экспериментов: «Это подсказывает нам то, о чём раньше никто не думал. Здесь определённо есть за что зацепиться экспериментаторам».
