Za razliku od mnogih drugih metala, zlato može zadržati svoj prepoznatljivi sjaj tisućama godina. Sada su računalni kemičari Santu Biswas i Matthew M. Montemore sa Sveučilišta Tulane u SAD-u ponudili novo objašnjenje zašto je taj metal toliko otporan na oksidaciju.
Plemeniti metal
Zlato pripada skupini takozvanih kemijski plemenitih metala, što znači kako ima vrlo nisku reaktivnost. Drugim riječima, ne reagira lako s tvarima poput kisika, koji se kod drugih metala veže za površinske atome i dovodi do stvaranja hrđe ili tamnog sloja.
Prema novom istraživanju, ključ se nalazi u rasporedu atoma na površini zlata. Atomi se ondje slažu u izrazito gusto zbijen uzorak, zbog čega se molekula kisika ne može dovoljno lako razdvojiti i pokrenuti proces oksidacije.
Upravo ta površinska struktura mogla bi biti razlog zbog kojeg zlato ostaje sjajno i stabilno kroz iznimno duga razdoblja.
Kisik i oksidacija
U kemiji je aktivacija kisika važan proces koji omogućuje odvijanje brojnih reakcija. Primjerice, za pretvaranje ugljikova monoksida u ugljikov dioksid potreban je slobodan i reaktivan atom kisika koji se može vezati za CO i stvoriti CO2.
Znanstvenici za takve reakcije mogu koristiti metalne površine koje pomažu razdvojiti molekulu kisika na dva vrlo reaktivna atoma. Zlato bi, na prvi pogled, moglo biti dobar katalizator jer je inertno i ne reagira snažno s drugim atomima ili molekulama.
No upravo zbog te inertnosti dugo se smatralo kako zlato nije prikladno za aktivaciju kisika. Ipak, još 1980-ih znanstvenici su otkrili nešto neočekivano: dok zlato u masivnom obliku nije učinkovito za takvu katalizu, zlatne nanočestice iznenađujuće dobro aktiviraju kisik.
To je otvorilo pitanje kako sićušne čestice zlata mogu poticati oksidacijske reakcije ako se zlato inače tako snažno opire kisiku.
Nanočestice se ponašaju drukčije
Novo istraživanje sugerira kako odgovor leži u različitom rasporedu atoma na površini zlata.
Biswas i Montemore koristili su računalne simulacije kako bi ispitali što se događa kada molekule kisika dođu u kontakt s nanoskopskim površinama zlata različite strukture.
Posebno su uspoređivali dvije vrste površina. Prve su takozvane rekonstruirane površine, na kojima se atomi slažu u gusto zbijeni šesterokutni raspored koji zlato prirodno preferira. Druge su nerekonstruirane površine, s rahlijim uzorcima nalik kvadratima.
Razlika među njima pokazala se velikom.
Na gusto zbijenim šesterokutnim površinama molekula kisika ne može se lako razdvojiti na dva atoma. Na rahlijim, kvadratnim površinama, kisik se razdvaja znatno lakše.
Površina mijenja ponašanje zlata
Prema simulacijama, molekule kisika na šesterokutnoj površini jednostavno nemaju dovoljno prostora za razdvajanje. Kod kvadratnih uzoraka geometrija je rahlija, pa kisik lakše pronalazi prostor i uporište za reakciju.
Istraživači su utvrdili kako se disocijacija kisika na nerekonstruiranim površinama odvija milijardama do bilijunima puta lakše nego na rekonstruiranim površinama.
To bi moglo objasniti zašto se zlatne nanočestice ponašaju drukčije od većih komada zlata. Male čestice možda ne razviju u potpunosti stabilne, gusto zbijene površine, zbog čega na njima ostaju izložena reaktivnija područja nalik kvadratima.
Drugim riječima, zlato ne hrđa zato što je njegova površina u masivnom obliku iznimno stabilna i gusto uređena. No kada se ta struktura promijeni, isti metal može postati mnogo aktivniji u kemijskim reakcijama.
Moguća primjena
Autori istraživanja navode kako ova otkrića mogu pomoći u razvoju učinkovitijih katalizatora na bazi zlata.
Takvi katalizatori mogli bi kombinirati dvije važne prednosti: otpornost zlata na koroziju i sposobnost aktivacije kisika potrebnu za oksidacijske reakcije.
"Ovo pruža novo razumijevanje razloga zbog kojih je zlato toliko inertno prema dikisiku i sugerira kako bi stvaranje površina s kvadratnim ili pravokutnim strukturama moglo znatno poboljšati katalitičku aktivnost zlata u oksidacijskim reakcijama", napisali su istraživači.
Dodali su kako njihovi rezultati nude novu strategiju za dizajniranje katalizatora na bazi zlata koji bi smanjili rekonstrukciju površine ili stabilizirali strukture nalik kvadratima radi bolje aktivacije kisika.
Istraživanje je objavljeno u časopisu Physical Review Letters.
Plemeniti metal
Zlato pripada skupini takozvanih kemijski plemenitih metala, što znači kako ima vrlo nisku reaktivnost. Drugim riječima, ne reagira lako s tvarima poput kisika, koji se kod drugih metala veže za površinske atome i dovodi do stvaranja hrđe ili tamnog sloja.
Prema novom istraživanju, ključ se nalazi u rasporedu atoma na površini zlata. Atomi se ondje slažu u izrazito gusto zbijen uzorak, zbog čega se molekula kisika ne može dovoljno lako razdvojiti i pokrenuti proces oksidacije.
Upravo ta površinska struktura mogla bi biti razlog zbog kojeg zlato ostaje sjajno i stabilno kroz iznimno duga razdoblja.
Kisik i oksidacija
U kemiji je aktivacija kisika važan proces koji omogućuje odvijanje brojnih reakcija. Primjerice, za pretvaranje ugljikova monoksida u ugljikov dioksid potreban je slobodan i reaktivan atom kisika koji se može vezati za CO i stvoriti CO2.
Znanstvenici za takve reakcije mogu koristiti metalne površine koje pomažu razdvojiti molekulu kisika na dva vrlo reaktivna atoma. Zlato bi, na prvi pogled, moglo biti dobar katalizator jer je inertno i ne reagira snažno s drugim atomima ili molekulama.
No upravo zbog te inertnosti dugo se smatralo kako zlato nije prikladno za aktivaciju kisika. Ipak, još 1980-ih znanstvenici su otkrili nešto neočekivano: dok zlato u masivnom obliku nije učinkovito za takvu katalizu, zlatne nanočestice iznenađujuće dobro aktiviraju kisik.
To je otvorilo pitanje kako sićušne čestice zlata mogu poticati oksidacijske reakcije ako se zlato inače tako snažno opire kisiku.
Nanočestice se ponašaju drukčije
Novo istraživanje sugerira kako odgovor leži u različitom rasporedu atoma na površini zlata.
Biswas i Montemore koristili su računalne simulacije kako bi ispitali što se događa kada molekule kisika dođu u kontakt s nanoskopskim površinama zlata različite strukture.
Posebno su uspoređivali dvije vrste površina. Prve su takozvane rekonstruirane površine, na kojima se atomi slažu u gusto zbijeni šesterokutni raspored koji zlato prirodno preferira. Druge su nerekonstruirane površine, s rahlijim uzorcima nalik kvadratima.
Razlika među njima pokazala se velikom.
Na gusto zbijenim šesterokutnim površinama molekula kisika ne može se lako razdvojiti na dva atoma. Na rahlijim, kvadratnim površinama, kisik se razdvaja znatno lakše.
Površina mijenja ponašanje zlata
Prema simulacijama, molekule kisika na šesterokutnoj površini jednostavno nemaju dovoljno prostora za razdvajanje. Kod kvadratnih uzoraka geometrija je rahlija, pa kisik lakše pronalazi prostor i uporište za reakciju.
Istraživači su utvrdili kako se disocijacija kisika na nerekonstruiranim površinama odvija milijardama do bilijunima puta lakše nego na rekonstruiranim površinama.
To bi moglo objasniti zašto se zlatne nanočestice ponašaju drukčije od većih komada zlata. Male čestice možda ne razviju u potpunosti stabilne, gusto zbijene površine, zbog čega na njima ostaju izložena reaktivnija područja nalik kvadratima.
Drugim riječima, zlato ne hrđa zato što je njegova površina u masivnom obliku iznimno stabilna i gusto uređena. No kada se ta struktura promijeni, isti metal može postati mnogo aktivniji u kemijskim reakcijama.
Moguća primjena
Autori istraživanja navode kako ova otkrića mogu pomoći u razvoju učinkovitijih katalizatora na bazi zlata.
Takvi katalizatori mogli bi kombinirati dvije važne prednosti: otpornost zlata na koroziju i sposobnost aktivacije kisika potrebnu za oksidacijske reakcije.
"Ovo pruža novo razumijevanje razloga zbog kojih je zlato toliko inertno prema dikisiku i sugerira kako bi stvaranje površina s kvadratnim ili pravokutnim strukturama moglo znatno poboljšati katalitičku aktivnost zlata u oksidacijskim reakcijama", napisali su istraživači.
Dodali su kako njihovi rezultati nude novu strategiju za dizajniranje katalizatora na bazi zlata koji bi smanjili rekonstrukciju površine ili stabilizirali strukture nalik kvadratima radi bolje aktivacije kisika.
Istraživanje je objavljeno u časopisu Physical Review Letters.
