Μια νέα μελέτη δείχνει ότι η λάμψη του χρυσού δεν οφείλεται μόνο στη χημική του αδράνεια, αλλά και σε μια αόρατη ατομική «παγίδα» στην επιφάνειά του που μπλοκάρει το οξυγόνο.
Ο άργυρος θαμπώνει, ο χαλκός πρασινίζει και ο σίδηρος σκουριάζει, όμως ο χρυσός παραμένει πάντα λαμπερός. Για χρόνια αυτό θεωρούνταν σχεδόν αυτονόητο στη φυσική των υλικών, αλλά τα βαθύτερα αίτια πίσω από αυτή τη συμπεριφορά δεν είχαν αποσαφηνιστεί πλήρως. Νέα ερευνητικά δεδομένα δείχνουν ότι ίσως το “μυστικό” του χρυσού δεν είναι μόνο η χημική του αδράνεια, αλλά και κάτι πολύ πιο λεπτό: ο τρόπος που οργανώνονται τα ίδια του τα άτομα στην επιφάνειά του.
Ο χρυσός είναι γνωστό ότι είναι χημικά αδρανής, δηλαδή δεν αντιδρά εύκολα με μόρια του περιβάλλοντος όπως το οξυγόνο του αέρα. Αυτός είναι και ο λόγος που δεν οξειδώνεται όπως άλλα μέταλλα, κάτι που τον κάνει ιδανικό για κοσμήματα και εφαρμογές που απαιτούν σταθερότητα στο χρόνο. Ωστόσο, όπως αναφέρεται συχνά και στη σύγχρονη έρευνα υλικών, αυτή η ίδια ιδιότητα τον καθιστά σχετικά “δύσκολο” στη χρήση ως καταλύτη, κάτι που οι επιστήμονες προσπαθούν εδώ και χρόνια να ξεπεράσουν.
Σε αυτό το πλαίσιο, ο Matthew Montemore και ο Santu Biswas από το Tulane University μελέτησαν ένα φαινόμενο που ονομάζεται αναδόμηση της επιφάνειας, το οποίο συμβαίνει όταν ένα κομμάτι χρυσού κόβεται και δημιουργείται μια νέα επιφάνεια. Όπως περιγράφουν οι ίδιοι, τα άτομα στην επιφάνεια δεν παραμένουν “στατικά”, αλλά αναδιατάσσονται επειδή δεν βρίσκονται στην πιο ενεργειακά ευνοϊκή τους κατάσταση.
Η εικόνα που δίνουν οι ερευνητές είναι χαρακτηριστική: τα άτομα “δεν αγαπούν” να βρίσκονται σε επιφάνειες και έτσι αναδιοργανώνονται, συχνά σχηματίζοντας σταθερά επαναλαμβανόμενα εξαγωνικά μοτίβα. Αυτή η δομή, σύμφωνα με τα ευρήματα, τα “κλειδώνει” σε μια χαμηλής ενέργειας κατάσταση, περιορίζοντας την περαιτέρω κινητικότητα και αντιδραστικότητά τους. Το φαινόμενο της αναδόμησης δεν είναι τόσο συνηθισμένο σε άλλα μέταλλα, γεγονός που κάνει τον χρυσό ακόμη πιο ιδιαίτερο.
Η ομάδα χρησιμοποίησε υπερυπολογιστές για να προσομοιώσει τις κβαντικές καταστάσεις των ατόμων σε διαφορετικές πιθανές αναδιατάξεις της επιφάνειας και να εξετάσει πώς αυτές αλληλεπιδρούν με μόρια οξυγόνου. Το κρίσιμο στάδιο για να αρχίσει η οξείδωση και άρα η απώλεια της χαρακτηριστικής λάμψης του χρυσού είναι η διάσπαση ενός μορίου οξυγόνου σε δύο άτομα όταν αυτό προσκρούει στην επιφάνειά του.
Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι αυτή η διάσπαση απαιτεί ιδιαίτερα υψηλή ενέργεια όταν η επιφάνεια του χρυσού έχει την πιο σταθερή εξαγωνική διάταξη. Αντίθετα, όταν η διάταξη των ατόμων αλλάζει σε πιο ορθογώνιες μορφές, η ενεργειακή “πόρτα” για την αντίδραση μειώνεται σημαντικά, καθιστώντας θεωρητικά πιο εύκολη την οξείδωση. Το γεγονός ότι το εξαγωνικό μοτίβο είναι το πιο συχνό εξηγεί γιατί ο χρυσός παραμένει κατά κανόνα αμετάβλητος στον χρόνο.
Ο Santu Biswas σημειώνει ότι αυτή η σύνδεση ανάμεσα στη γεωμετρία των ατόμων, την αναδόμηση και την οξείδωση δεν είχε εξεταστεί με τόσο άμεσο τρόπο στο παρελθόν, κάτι που δίνει νέα διάσταση στην κατανόηση της επιφάνειας του χρυσού.
Η μελέτη δεν περιορίζεται όμως μόνο στην εξήγηση της λάμψης. Σύμφωνα με τον Hongliang Xin από το Virginia Tech, τα αποτελέσματα ανοίγουν και έναν νέο δρόμο για τη χρήση του χρυσού ως καταλύτη. Η ιδέα ότι η καταλυτική του συμπεριφορά μπορεί να “ρυθμιστεί” μέσω του ελέγχου της αναδόμησης της επιφάνειας θεωρείται ιδιαίτερα σημαντική για τη χημεία υλικών.
Ο Montemore προτείνει μάλιστα ότι η επιφάνεια του χρυσού θα μπορούσε να επηρεαστεί τεχνητά, για παράδειγμα μέσω εφαρμογής ηλεκτρικής τάσης σε ένα κύκλωμα, ώστε να αλλάξει η διάταξη των ατόμων και να γίνει πιο αντιδραστική. Αν κάτι τέτοιο επιβεβαιωθεί πειραματικά, θα μπορούσε να μετατρέψει τον χρυσό από σχεδόν πλήρως αδρανές μέταλλο σε ρυθμιζόμενο εργαλείο χημικών αντιδράσεων.
Ο Andrew Beale από το University College London τονίζει ότι η ιδέα δεν είναι εντελώς θεωρητική, αφού η καταλυτική χρήση του χρυσού έχει ήδη αποδειχθεί σε ορισμένες περιπτώσεις, ειδικά όταν χρησιμοποιούνται νανοσωματίδια. Ωστόσο, παραμένει ανοιχτό το ερώτημα του πώς αυτά τα ευρήματα μεταφέρονται από τις επίπεδες επιφάνειες που μελετήθηκαν υπολογιστικά σε πραγματικά υλικά με καμπυλότητα και πολυπλοκότητα.
Στο μέλλον, οι ερευνητές σχεδιάζουν να επεκτείνουν τη μελέτη τους και σε άλλες χημικές αντιδράσεις πέρα από το οξυγόνο, αλλά και σε κράματα χρυσού αντί για καθαρό μέταλλο. Αν οι προβλέψεις τους επιβεβαιωθούν, τότε η εικόνα του χρυσού ως “αιώνια αμετάβλητου” ίσως χρειαστεί να ξαναγραφτεί από την αρχή.
Με πληροφορίες από το New Scientist / Physical Review Letters
