راز درخشش همیشگی طلا

پژوهشگران دانشگاه تولین با کشف سازوکاری اتمی که از اکسید شدن و کدر شدن طلا جلوگیری می‌کند، نشان دادند اتم‌های سطح این فلز با بازآرایی خود سپری محافظ در برابر اکسیژن ایجاد می‌کنند. این یافته علاوه بر توضیح ماندگاری درخشش طلا، می‌تواند مسیر طراحی کاتالیزورهای کارآمدتر برای صنایع شیمیایی و حوزه انرژی را هموار کند.

به گزارش سیناپرس، دانشمندان با کشف مکانیسم پنهانی که مانع از کدر شدن طلا می‌شود، پرده از راز درخشش ابدی این فلز برداشتند؛ یافته‌ای که نشان می‌دهد اتم‌های سطحی طلا با تغییر آرایشِ خود، سپری محافظ در برابر اکسیژن می‌سازند و اکنون دانشمندان امیدوارند با بهره‌گیری از این دانش، راهکارهای نوینی برای طراحی کاتالیزورهای بسیار کارآمدتر در صنایع شیمیایی و حوزه انرژی ابداع کنند.طلا هزاران سال است که ارزشمند بوده است؛ زیرا درخشش خود را حفظ می‌کند؛ اما پژوهش جدیدی از دانشگاه تولین نشان می‌دهد که این دوام تنها با شیمی توضیح داده نمی‌شود.

در مطالعه‌ای که در نشریه Physical Review Letters منتشر شده است، پژوهشگران دانشگاه تولین دریافتند که اتم‌های موجود در برخی از سطوح طلا می‌توانند به آرایش‌های محافظتی تغییر وضعیت دهند؛ آرایش‌هایی که واکنش با اکسیژن را به میزان چشمگیری کاهش می‌دهند.

این یافته به توضیح این موضوع کمک می‌کند که چرا جواهرات طلا و دیگر اشیای ساخته‌شده از طلا می‌توانند برای قرن‌ها درخشان باقی بمانند. همچنین این کشف می‌تواند به دانشمندان در طراحی کاتالیزورهای بهتر مبتنی بر طلا برای کاربردهای شیمی صنعتی و حوزه انرژی کمک کند.

اتم‌ها یک سپر پنهان تشکیل می‌دهند

«متیو مونتمور»، دانشیار مهندسی شیمی در دانشکده علوم و مهندسی تولین، می‌گوید:«مردم معمولا فکر می‌کردند که طلا تنها به این دلیل کدر نمی‌شود که برهم‌کنش قدرتمندی با اکسیژن ندارد. آنچه ما نشان می‌دهیم این است که در دو مورد از رایج‌ترین انواع سطوح طلا، اتم‌های سطحی در واقع خود را به‌گونه‌ای بازآرایی می‌کنند که طلا را در برابر اکسیداسیون بسیار مقاوم‌تر می‌کند».

مونتمور و همکار او در این پژوهش، «سانتو بیسواس»، پژوهشگر پسادکتری در بخش مهندسی شیمی و زیست‌مولکولی دانشگاه تولین، از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای استفاده کردند تا بررسی کنند اتم‌ها و الکترون‌ها هنگامی که مولکول‌های اکسیژن با دو ساختار رایج سطح طلا برخورد می‌کنند، چگونه رفتار می‌کنند.

نتایج آن‌ها نشان داد که اگر اتم‌های سطح تغییر آرایش نمی‌دادند، مولکول‌های اکسیژن بسیار آسان‌تر از هم جدا شده و با طلا واکنش نشان می‌دادند.

هنگامی که سطوح به این آرایشِ بازآرایی‌شده درمی‌آیند، واکنش با اکسیژن بین یک میلیارد تا یک تریلیون برابر کاهش می‌یابد. در واقع، این اتم‌های جابه‌جاشده، سدی محافظ در مقیاس اتمی ایجاد می‌کنند که به طلا کمک می‌کند برای دوره‌های زمانی بسیار طولانی درخشان باقی بماند

مقاومت طلا، کاتالیزورها را محدود می‌کند

این نتایج توضیح تازه‌ای برای مقاومت مشهور طلا در برابر کدرشدگی ارائه می‌دهد و هم‌زمان به امکان بهبود عملکرد کاتالیزورها اشاره می‌کند.

کاتالیزورهای مبتنی بر طلا که به سریع‌تر شدن واکنش‌های شیمیایی کمک می‌کنند، هم‌اکنون در برخی واکنش‌های اکسیداسیون صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما همان مقاومتی که باعث می‌شود طلا برای جواهرات و تجهیزات الکترونیکی مفید باشد، می‌تواند آن را در تولید مواد شیمیایی و کاربردهای مرتبط با انرژی کم‌اثرتر کند؛ زیرا طلا به‌راحتی مولکول‌های اکسیژن را از هم جدا نمی‌کند.

کاتالیزورهایی که ترکیبی از طلا و پالادیم هستند، برای تولید «وینیل استات» استفاده می‌شوند؛ ماده‌ای شیمیایی که برای ساخت بسیاری از پلاستیک‌ها و مواد دیگر به کار می‌رود. کاتالیزورهای طلا همچنین برای کاربردهایی مانند حذف مونوکسید کربن از گازهای خروجی خودروها و تولید پروپیلن اکسید، یک ماده شیمیایی صنعتی مهم، در حال بررسی هستند.

طراحی سطح می‌تواند قفل واکنش‌پذیری را بگشاید

به نقل از آنا، مونتمور می‌گوید: «اگر بتوانید طلا را وادار کنید که اکسیژن را تفکیک کند، این فلز در واقع می‌تواند برای برخی واکنش‌های خاص به یک کاتالیزور بسیار موثر تبدیل شود. کار ما یک راهبرد جدید را پیشنهاد می‌کند که می‌تواند با جلوگیری از این بازآرایی‌های سطحی یا معکوس کردن آنها، به انجام این کار کمک کند».

تلاش‌های گذشته برای بهبود کاتالیزورهای طلا اغلب بر ترکیب طلا با فلزات دیگر یا قرار دادن نانوذرات کوچک طلا روی سطوح اکسیدی تمرکز داشته‌اند. این پژوهش جدید نشان می‌دهد که تغییر هندسه خود سطح طلا می‌تواند راه دیگری برای افزایش واکنش‌پذیری این فلز فراهم کند.