چرا طلا زنگ نمیزند؟
دانشمندان میگویند دلیل اتمیِ زنگ نزدن طلا را کشف کردهاند.
دلایل زیادی وجود دارد برای اینکه طلا یکی از ارزشمندترین فلزات روی زمین است. یکی از آنها درخشش براق آن است. همچنین برخلاف بسیاری از فلزات دیگر، طلا در برابر زنگزدگی، کدر شدن و خوردگی بسیار مقاوم است و هزاران سال به رنگ زرد روشن میدرخشد.
این ویژگی به عنوان نجیب بودن شیمیایی شناخته میشود، به این معنی که این عنصر، واکنشپذیری کمی دارد. طلا نجیبترین فلز شناخته شده است و به راحتی با موادی مانند اکسیژن که با اتمهای روی لایههای سطحی فلزات دیگر پیوند برقرار میکند تا زنگزدگی یا کدر شدن ایجاد کند، واکنش نمیدهد.
اکنون سانتو بیسواس(Santu Biswas) و متیو ام. مونتهمور(Matthew M. Montemore) شیمیدانان محاسباتی از دانشگاه تولین در ایالات متحده، دلیل آن را کشف کردهاند.
طبق تحقیقات آنها، چیدمان اتمها روی سطح طلا الگویی را تشکیل میدهد که آنقدر محکم بستهبندی شده است که مولکول دیاکسیژن که در غیر این صورت با آن تعامل داشت، نمیتواند به راحتی از هم جدا شود تا باعث اکسیداسیون یا همان زنگزدگی شود.
اگر این الگو را کمی شلتر کنیم، طلا میتواند به طرز چشمگیری در برابر زنگزدگی آسیبپذیرتر شود، اما این در واقع میتواند چیز خوبی باشد.
در شیمی، فعالسازی اکسیژن گامی مهم است که امکان وقوع واکنشهای دیگر را فراهم میکند. به عنوان مثال، برای تبدیل کربن مونوکسید به کربن دیاکسید، به یک اتم اکسیژن آزاد و واکنشپذیر نیاز دارید که بتواند به کربن مونوکسید(CO) متصل شود و آن را به کربن دیاکسید(CO2) تبدیل کند.
دانشمندان برای انجام این کار میتوانند دیاکسیژن را با استفاده از یک سطح فلزی که به تقسیم مولکول به دو اتم اکسیژن بسیار واکنشپذیر کمک میکند، فعال کنند.
طلا یک کاتالیزور بسیار مطلوب برای این واکنش خواهد بود، زیرا بسیار بیاثر است؛ یعنی با اتمها یا مولکولهای دیگر واکنش شدیدی نشان نمیدهد.
برخی از کاتالیزورهای فعالسازی اکسیژن، بسیار واکنشپذیرتر هستند که میتوانند محصولات جانبی نامطلوبی تولید کنند یا خود کاتالیزور بیش از حد به اکسیژن متصل میشود و با گذشت زمان دچار خوردگی میشود.
ممکن است فکر کنید طلا کاندیدای مناسبی برای این نوع کار نیست، اما دانشمندان در دهه 1980 کشف تکاندهندهای کردند. اگرچه طلای تودهای برای کاتالیز اکسیژن نامناسب است، اما نانوذرات طلا به طرز شگفتآوری در فعالسازی اکسیژن مؤثر هستند.
این کشف سوال بزرگی را مطرح کرد؛ اگر طلا در برابر اکسیژن به شدت مقاومت میکند، چگونه این ذرات کوچک میتوانند واکنشهای اکسیداسیون را هدایت کنند؟
تحقیقات جدید نشان میدهد که پاسخ ممکن است در نحوه چیدمان اتمها روی سطح طلا باشد.
بیسواس و مونتهمور از شبیهسازیهای کامپیوتری برای مطالعه آنچه هنگام تماس مولکولهای اکسیژن با سطوح طلای نانومقیاس با آرایشهای مختلف اتمها رخ میدهد، استفاده کردند.
آنها به طور خاص، دو نوع الگوی مختلف را مطالعه کردند. اول سطوح بازسازیشده، جایی که اتمها در آرایش ششضلعی فشردهای که طلا به طور طبیعی ترجیح میدهد، قرار میگیرند و دوم، سطوح بازسازینشده که الگوهای مربعمانند شلتری را تشکیل میدهند.
دانشمندان دریافتند که تفاوت بین دو نوع سطح چشمگیر است. در سطوح بازسازیشده، برهمکنش دقیقاً همانطور که انتظار میرفت، انجام شد. مولکول اکسیژن نتوانست به راحتی به دو اتم اکسیژن تقسیم شود، همانطور که در سناریوهای واقعی مربوط به طلای تودهای مشاهده شده است.
از طرفی روی سطوح بازسازی نشده، سناریو نمیتوانست متفاوتتر از این باشد و مولکولهای اکسیژن به راحتی از هم جدا میشوند.
شبیهسازیها نشان میدهند که دلیل این امر این است که مولکولهای اکسیژن روی سطح ششضلعیِ فشرده نمیتوانند فضای کافی برای تجزیه آسان پیدا کنند.
الگوهای مربعی با آن فضای داخلی، هندسه آزادتری دارند و مولکولهای اکسیژن میتوانند به راحتی فضای کافی برای تجزیه پیدا کنند.
محققان دریافتند که تفکیک اکسیژن، میلیاردها تا تریلیونها برابر آسانتر از سطوح بازسازی شده رخ میدهد. این ممکن است به توضیح این موضوع کمک کند که چرا نانوذرات طلا رفتار بسیار متفاوتی نسبت به طلای تودهای دارند. این ذرات کوچک ممکن است سطوح بازسازی شدهی فشردهای را که در قطعات بزرگتر طلا دیده میشود، به طور کامل توسعه ندهند و نواحی مربعمانند واکنشپذیرتری را در معرض دید قرار دهند.
آرایش فشرده اتمهای سطحی روی طلای تودهای لزوماً برای مقاومت در برابر اکسیداسیون طراحی نشده است؛ این فقط پایدارترین پیکربندی برای فلز است. مقاومت در برابر خوردگی فقط یک عارضه جانبی جالب آن است.
یافتههای جدید میتواند به دانشمندان در مهندسی کاتالیزورهای طلا که مقاومت در برابر خوردگی را با فعالسازی کارآمد اکسیژن متعادل میکنند، کمک کند.
محققان میگویند: این یافته درک جدیدی از دلیل بیاثر بودن طلا در برابر دیاکسیژن ارائه میدهد و نشان میدهد که ایجاد سطوحی با ساختارهای مربعی یا مستطیلی میتواند فعالیت کاتالیزوری را برای واکنشهای اکسیداسیون روی طلا به طور قابل توجهی بهبود بخشد.
آنها افزودند: نتایج ما یک استراتژی جدید برای طراحی کاتالیزورهای مبتنی بر طلا ارائه میدهد که بازسازی را به حداقل میرساند یا نقوش مربعی شکل را برای افزایش فعالسازی دیاکسیژن تثبیت میکند.
این یافتهها در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.
منبع: ایسنا
