Химики из Тулейнского университета выяснили, почему золото почти не вступает в реакцию с кислородом и сохраняет блеск тысячелетиями. Оказалось, все дело в особом расположении атомов на поверхности металла: они образуют настолько плотную структуру, что молекулам кислорода буквально не хватает места для запуска окисления. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters (PRL).
Золото считается самым «благородным» из металлов — оно практически не ржавеет, не тускнеет и не покрывается оксидной пленкой, как железо или серебро. Эта химическая инертность давно интересовала ученых. Авторы работы Санту Бисвас и Мэттью Монтемор провели компьютерное моделирование взаимодействия кислорода с наноскопическими поверхностями золота и обнаружили, что ключевую роль играет геометрия атомов.
Исследователи сравнили два типа поверхностей: реконструированные, где атомы выстраиваются в плотную гексагональную структуру, и нереконструированные — с более рыхлым «квадратным» расположением атомов. Разница оказалась огромной.
На плотной гексагональной поверхности молекулы кислорода почти не могли распадаться на отдельные атомы — а именно этот процесс необходим для начала окисления. На более рыхлых поверхностях кислород разделялся намного легче: по расчётам авторов, скорость диссоциации возрастала в миллиарды и даже триллионы раз.
Ученые объясняют это просто: на плотной поверхности молекуле кислорода не хватает пространства, чтобы «зацепиться» и распасться. Более свободная геометрия дает такую возможность.
Результаты также помогают объяснить старую загадку: почему золотые наночастицы, в отличие от обычного золота, способны эффективно работать как катализаторы. Еще в 1980-х годах исследователи обнаружили, что наночастицы золота неожиданно хорошо активируют кислород и ускоряют химические реакции, хотя массивное золото почти инертно.
Золото считается перспективным материалом для таких систем, поскольку оно устойчиво к коррозии и меньше образует побочных продуктов по сравнению с более активными металлами. Авторы полагают, что создание поверхностей с «квадратными» мотивами позволит сохранить устойчивость золота и одновременно повысить его каталитическую активность.
«Наши результаты предлагают новую стратегию разработки золотых катализаторов — минимизировать реконструкцию поверхности или стабилизировать квадратоподобные структуры для усиления активации кислорода», — отметили исследователи.
Ранее физикам впервые удалось поместить предмет сразу в два места.