Eredeti angol nyelvű blog, Meng Wu
Eredetileg 2018. február 14-én jelent meg
Fordította: Mariah Dooley, szerkesztette: Curtis Green

báty

Az arany az egyik legkívánatosabb fém a világon. Az értékes sárga fém ritka természetű, és ősidők óta használják pénznemként és ékszerek készítéséhez (1. ábra) 1. Úgy gondolják, hogy a meteorok ezt a fémet a földre hozták, az arany valóban kívül esik ezen a világon! 2 Sok oka van annak, miért különleges az arany, és miért tartotta meg értékét társadalmainkban. De az arany még különlegesebb lehet, mint gondolnánk.

1. ábra: Arany diadém az ókori Görögországból (ie. 4. század). A dallasi művészeti múzeumban. (Mary Harrsch képe)

Ennek a fényes fémnek a gyártásával és feldolgozásával az emberek fokozatosan megtanulták annak fizikai és kémiai tulajdonságait. "Az igazi arany nem fél a tűztől" - ez egy ősi kínai mondás, amely abból ered, hogy az ömlesztett arany sértetlen és fényes marad, ha fatűz felett (600-1000 ° C) helyezik el, míg a legtöbb más fém (például réz, cink, nikkel és ötvözeteik) megolvadnak és/vagy elveszítik fényüket ilyen körülmények között. Kémiai szempontból azt mondjuk, hogy az arany kémiai stabilitása kiváló az oxidációval szemben, és viszonylag magas olvadáspontú (1064 ° C). De kiderült, hogy a nanotudománynak köszönhetően van mód arra, hogy megváltoztassa az arany viselkedését különböző hőmérsékleteken, megőrizve egyéb különleges tulajdonságait.

Használjuk példaként a vízzel kapcsolatos mindennapi tapasztalatainkat, hogy megértsük, mi történik az arannyal. Tudjuk, hogy a jég (szilárd) úgy tűnik, hogy mindig rögzített hőmérsékleten vízzé (folyadékká) olvad, és akkor úgy tűnik, hogy a víz mindig rögzített hőmérsékleten gőzzé (gázzá) párolog. Ezeket a hőmérsékleteket olvadáspontnak, illetve forráspontnak nevezik. Az olvadás- és forráspontok a helyi nyomástól függően eltérőek lehetnek. Ez az oka annak, hogy a főzési vagy sütési receptjeinek eltérő útmutatásai lehetnek a nagy magasságokra, amelyek alacsonyabb légnyomással rendelkeznek, mint az alacsony magasságok.

A forráspont manipulálásához azonban nem kell hegyről le- és lemennünk. Könnyen megtehetjük ezt a helyi nyomás megváltoztatásával, mint ahogy a nyomástartó tűzhely működik: a nyomás növelésével a víz forráspontja magasabb hőmérsékletre emelkedik, ami azt jelenti, hogy a vizet elpárologtatás nélkül fel lehet melegíteni, ami viszont ételt készít gyorsabban főzzön (2. ábra).

2. ábra: A gyorsforraló megváltoztatja tartalmának forráspontját (Kép a goodfreephotos.com-tól).

Annak megértéséhez, hogy a nyomástartó edény miként növeli a belső nyomást, emlékeznünk kell arra, hogy mi történik a folyadék molekuláival, amikor azt felmelegítik: Kezdenek tovább szétválni! Olvadáspontig azonban sokkal kevésbé érzékeny a helyi nyomásváltozásra. Ennek oka, hogy a gázgá párolgó folyadékhoz képest a térfogat általában nem nő túlságosan, ha a szilárd anyag folyadékká olvad. (Mellékjegyzet: a víz szokatlan abban az értelemben, hogy térfogata valóban megnő, amikor szilárdra fagy. - Felrobbantottál már egy doboz szódát a fagyasztóban? - De ez egy másik bejegyzés témája!)

A lényeg az, hogy nem célszerű az anyag olvadáspontját a helyi nyomás megváltoztatásával manipulálni. Drasztikusan változtatnia kell a nyomáson, hogy az olvadáspont még egy kis változást is elérjen (3. ábra).

3. ábra: A térfogat sokat változik, ha gázról folyadékra váltunk; nem annyira, ha folyadékból szilárdvá válik. (Kép: Yeled)

De vannak-e más módszerek az anyag olvadáspontjának megváltoztatására? És visszatérve ennek a bejegyzésnek a fő témájára, megolvaszthatjuk-e szobahőmérsékleten az aranyat?

Egy korábbi, „A nanorészecskék mindannyian körülöttünk” című blogbejegyzésben megvitattuk, hogy mivel az anyag mérete csökken a nanoméretnél, számos fizikai és kémiai tulajdonság is megváltozik. Ez elsősorban a "felületi hatásnak" köszönhető. Vagy a felület-térfogat arány növekedésére (4. ábra) 3 .

4. ábra: A nanorészecskék ereje - A részecskeméret csökkenésével a felület nő. (Bob Hamers képe)

Az arany színe például élénk sárgáról sötét sárgára változik, amikor mérete a nanométeres tartományra csökken (5. ábra). Tehát hogyan változik egy anyag olvadáspontja, amikor a mérete csökken a nanométeres skáláig?

5. ábra: Arany nanorészecske-megoldások. Az oldat színei az arany nanorészecskék méretének növekedésével változnak. (Fotó: Aleksandar Kondinski)

William Thomson már 1871-ben (amikor nem volt módja a nanorészecskék tényleges megtekintésére) megmutatta, hogy az olvadáspont fordítottan változik a részecske sugarával a következő egyenlet szerint, amelyet ma Gibbs-egyenletnek hívunk - Thomson 4. Ha az anyag részecskeméretével és egyéb jellemzőivel kapcsolatos információkat ad hozzá, akkor ez az egyenlet azt mutatja, hogy az anyag mérete és olvadáspontja közvetlenül összefügg. Az anyag méretének csökkenésével az olvadáspont is csökken. Ezt a jelenséget általában "olvadáspont-depressziónak" nevezik. 5.

6. ábra: A részecskeméret és az arany nanorészecskék olvadáspontja közötti kapcsolat. (Schmid és Corain (2003) 6 engedélyével használt grafika).

A 6. ábra mutatja a nanorészecskék mérete és az arany olvadáspontja közötti kapcsolatot a Gibbs-Thomson egyenlet szerint. Mint láthatjuk, az arany nanorészecskék olvadáspontja még alacsonyabb is lehet, mint a szobahőmérséklet (

23-25 ​​° C), amikor a méret körülbelül 1,4 nm alá csökken. Ennél a méretnél mindegyik nanorészecskében csak körülbelül 85 atom van jelen, és az atomok nagy része a 6 felületen van kitéve. (Ezzel szemben egy 4 nm-es részecskében körülbelül 2000 aranyatom van, még több atomot hagyva a részecskén belül. Elgondolkodhat, vajon honnan tudjuk ezt? Lásd: "Hogyan számolhatjuk ki, hány atom van?" ott egy nanorészecskében? ”(angolul).)

A szilárd és a folyadék közötti különbség normál méretű tárgyaknál könnyen megfigyelhető: a folyadékok mozognak, áramlanak és felveszik az azokat tartalmazó tárgyak alakját, de a szilárd anyagok merevek és nem csúsznak 7. De van-e olyan módszer, amellyel közvetlenül láthatóvá tehetjük az általunk leírt "folyékony nanorészecskéket"?

7. ábra: A nanorészecskéktől eltérően könnyű megfigyelni, hogy a macskáknak milyen tulajdonságai vannak a folyékony 8 anyaggal (Peregrino Will Reign képe)

A transzmissziós elektronmikroszkópia (TEM) alkalmas erre a célra. Amikor az elektronnyaláb megüt egy mintát, felmelegítheti és megolvaszthatja a nanorészecskéket. A mintában levő atomok a beeső elektronnyaláb sok meghatározott irányban is diffrakciót okozhatnak. Ezen diffrakciós sugarak szögeinek és intenzitásának mérésével diffrakciós minták hozhatók létre, és meghatározható az atomok helyzete a mintában. Az atomok általában nagyon rendezettek a szilárd anyagokban, de folyadékokban mozognak, ami eltérő diffrakciós mintákat eredményez. A foltmintákat általában a szilárd mintáknál, míg a halo mintákat általában a folyékony mintáknál. Ezután megkülönböztethetjük a szilárd állapotot a folyékony állapottól, ha megnézzük az elektrondiffrakciós mintázatukat. (Az elektronmikroszkóppal kapcsolatos további információkért olvassa el a „Természet mikroszkóp alatt: A nanotudomány szépségének felfedezése” című spanyol blogbejegyzésünket).

8. ábra: Diffrakciós mintázat az ólom folyékony állapotában (halo minták, bal oldali) és szilárd állapotban (spot minták, jobb oldalon). (A kép reprodukálva JPSJ engedélyével, Takagi (1954) 9)

Takagi már 1954-ben először alkalmazta ezt a stratégiát az "olvadáspont elnyomásának" tesztelésére (8. ábra). Az ólmot azért választotta a tanulmányozáshoz, mert annak viszonylag alacsony olvadáspontja van, és könnyen 5 nm vastag réteggé alakítható. A TEM alatt Takagi és csapata megfigyelte, hogy egy 5 nm vastag réteg olvadáspontja a szokásos 327 ° C-ról 170 ° C-ra csökkent. 9.

Bár Takagi eredményei lenyűgözőek voltak, nem tudták valós időben megragadni a szilárd folyadék közötti átmenetet. Ma ezt megtehetjük az úgynevezett TEM fejlesztésének köszönhetően. Érdekesebb, hogy nemrég egy ukrán és belorusz tudóscsoport felfedezte, hogy még egy szilárdtest ezüst nanorészecske is folyadékként viselkedhet. 10 Amikor 10 nm-nél kisebb ezüst nanorészecskéket helyeztek egy volfrám hegyre, a kutatók bizonyos körülmények között "folyékony" viselkedést figyeltek meg. Az ezüst nanorészecskék belül nagyon kristályosak maradtak, ami azt jelenti, hogy nem olvadtak meg - ha a részecskék megolvadtak, akkor kristálymintákat és teljesen véletlenszerű atomelrendezést láthatunk (mint a 8. ábra halo mintázata). Ez az érdekes „folyékony” viselkedés az ezüst nanorészecske nyomása alatt mozgó atomjainak tulajdonítható, így azt az illúziót keltve, hogy megolvadt (9. ábra).

9. ábra: In situ nagyfelbontású transzmissziós elektronmikroszkópia, amely az ezüst nanorészecskék folyadékszerű deformációját mutatja. (A képet Sun és mtsai (2014) 11 engedélyével használták)

Mindez segít megérteni, hogy bár az emberek korábban azt gondolták, hogy "Az igazi arany nem fél a tűztől", ma már tudjuk, hogy a nanoméretű fémek, beleértve az aranyat, szobahőmérsékleten folyadékként is viselkedhetnek.

Egyrészt az olvadáspont-depresszió azt jelentené, hogy egyes nanorészecskék kevésbé hasznosak, ha szilárd állapotban kell lenniük ahhoz, hogy technológiai alkalmazásukban működjenek. Másrészt az olvadáspont-nyomás nagyon hasznos azokban az alkalmazásokban is, ahol a nanorészecskék folyékony állapotban jobban teljesítenek. Például könnyen megváltoztathatjuk az anyagok alakját a nanoszkópban, jóval alacsonyabb hőmérsékleten, mint olvadáspontjuk sugallja.

Ezért a válasz arra a kérdésre, amellyel kezdtük, a következő: Igen! Valójában az arany vagy bármely más anyag "olvadtnak/olvasztottnak" tekinthető a nanosúlyú anyagok hihetetlen tulajdonságainak köszönhetően.