Από την αρχαιότητα μέχρι σήμερα, ο χρυσός λατρεύτηκε όχι μόνο για τη λάμψη του, αλλά και για την εντυπωσιακή του ικανότητα να μένει ανέγγιχτος από τον χρόνο.
Ενώ άλλα μέταλλα σκουριάζουν και χάνουν τη ζωντάνια τους, αυτός παραμένει αιώνια αναλλοίωτος. Τώρα, η επιστήμη έρχεται να λύσει ένα από τα πιο παλιά μυστήρια της φύσης, αποκαλύπτοντας την «αόρατη ασπίδα» που προστατεύει τον βασιλιά των μετάλλων.
Οι επιστήμονες ανακάλυψαν έναν άγνωστο μέχρι πρότινος λόγο για τον οποίο ο χρυσός είναι τόσο ανθεκτικός στο μαύρισμα, διαπιστώνοντας ότι τα άτομά του μπορούν να αναδιοργανώνονται σε προστατευτικά επιφανειακά μοτίβα που εμποδίζουν τις αντιδράσεις με το οξυγόνο.
Ο χρυσός ενδέχεται να παραμένει λαμπερός επειδή ορισμένα από τα επιφανειακά του άτομα αναδιοργανώνονται σε δομές που εμποδίζουν τις αντιδράσεις με το οξυγόνο.
Ο χρυσός εκτιμάται εδώ και χιλιετίες επειδή διατηρεί τη λάμψη του, όμως μια νέα έρευνα από το Πανεπιστήμιο Tulane υποδηλώνει ότι αυτή η ανθεκτικότητα δεν εξηγείται μόνο από τη χημεία.
Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Tulane διαπίστωσαν ότι τα άτομα σε ορισμένες επιφάνειες χρυσού μπορούν να μετατοπίζονται σε προστατευτικές διατάξεις, οι οποίες μειώνουν σημαντικά τις αντιδράσεις με το οξυγόνο.
Το εύρημα αυτό, βοηθά να εξηγηθεί γιατί τα χρυσά κοσμήματα και άλλα χρυσά αντικείμενα μπορούν να παραμένουν λαμπερά για αιώνες. Ενδέχεται επίσης να βοηθήσει τους επιστήμονες να σχεδιάσουν καλύτερους καταλύτες με βάση τον χρυσό για τη βιομηχανική χημεία και για χρήσεις που σχετίζονται με την ενέργεια.
Τα άτομα σχηματίζουν μια κρυφή ασπίδα
«Ο κόσμος γενικά πίστευε ότι ο χρυσός δεν μαυρίζει απλώς και μόνο επειδή δεν αλληλεπιδρά ισχυρά με το οξυγόνο», δήλωσε ο Matthew Montemore, αναπληρωτής καθηγητής Χημικής Μηχανικής στη Σχολή Θετικών Επιστημών και Μηχανικής του Πανεπιστημίου Tulane.
«Αυτό που δείχνουμε εμείς είναι ότι, για δύο από τους πιο κοινούς τύπους επιφανειών χρυσού, τα επιφανειακά άτομα στην πραγματικότητα αναδιατάσσονται με τέτοιο τρόπο ώστε να καθιστούν τον χρυσό πολύ πιο ανθεκτικό στην οξείδωση».
Ο Montemore και ο συνπαρουσιαστής της μελέτης Santu Biswas, μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Τμήμα Χημικής και Βιομοριακής Μηχανικής του Tulane, χρησιμοποίησαν υπολογιστικές προσομοιώσεις για να μελετήσουν πώς συμπεριφέρονται τα άτομα και τα ηλεκτρόνια όταν τα μόρια του οξυγόνου συναντούν δύο κοινές δομές επιφανειών χρυσού.
Τα αποτελέσματά τους έδειξαν ότι τα μόρια του οξυγόνου θα είχαν διασπαστεί και θα αντιδρούσαν με τον χρυσό πολύ πιο εύκολα, εάν τα επιφανειακά άτομα δεν αναδιοργανώνονταν. Με την αναδιάταξη των επιφανειών σε ισχύ, οι αντιδράσεις με το οξυγόνο μειώθηκαν κατά ένα δισεκατομμύριο έως ένα τρισεκατομμύριο φορές.
Στην πραγματικότητα, τα μετατοπισμένα άτομα δημιουργούν ένα προστατευτικό φράγμα σε ατομική κλίμακα, βοηθώντας τον χρυσό να παραμένει λαμπερός για εξαιρετικά μεγάλες χρονικές περιόδους.
Η ανθεκτικότητα του χρυσού περιορίζει τους καταλύτες
Τα αποτελέσματα προσφέρουν μια νέα εξήγηση για την περίφημη ανθεκτικότητα του χρυσού στο μαύρισμα, ενώ παράλληλα υποδεικνύουν πιθανές βελτιώσεις στον τομέα της κατάλυσης. Οι καταλύτες με βάση τον χρυσό, οι οποίοι βοηθούν τις χημικές αντιδράσεις να πραγματοποιούνται ταχύτερα, χρησιμοποιούνται ήδη σε ορισμένες βιομηχανικές αντιδράσεις οξείδωσης.
Ωστόσο, η ίδια ανθεκτικότητα που καθιστά τον χρυσό χρήσιμο για κοσμήματα και ηλεκτρονικά είδη μπορεί επίσης να τον κάνει λιγότερο αποτελεσματικό στη χημική μεταποίηση και σε ενεργειακές εφαρμογές, επειδή δεν διασπά εύκολα τα μόρια του οξυγόνου.
Οι καταλύτες που συνδυάζουν χρυσό και παλλάδιο χρησιμοποιούνται για την παραγωγή οξικού βινυλίου, μιας χημικής ουσίας που χρησιμοποιείται για την κατασκευή πολλών πλαστικών και άλλων υλικών. Οι καταλύτες χρυσού μελετώνται επίσης για εφαρμογές όπως η απομάκρυνση του μονοξειδίου του άνθρακα από τα καυσαέρια των οχημάτων και η παραγωγή προπυλενοξειδίου, ενός σημαντικού βιομηχανικού χημικού.
Ο σχεδιασμός της επιφάνειας θα μπορούσε να ξεκλειδώσει την αντιδραστικότητα
«Αν μπορείς να “ξεγελάσεις” τον χρυσό ώστε να διασπάσει το οξυγόνο, μπορεί στην πραγματικότητα να γίνει ένας εξαιρετικά αποτελεσματικός καταλύτης για ορισμένες αντιδράσεις», δήλωσε ο Montemore. «Η εργασία μας προτείνει μια νέα στρατηγική για να το πετύχουμε αυτό, εμποδίζοντας ή αναστρέφοντας αυτές τις επιφανειακές αναδιατάξεις».
Οι παλαιότερες προσπάθειες για τη βελτίωση των καταλυτών χρυσού επικεντρώνονταν συχνά στην ανάμειξη του χρυσού με άλλα μέταλλα ή στην τοποθέτηση μικροσκοπικών νανοσωματιδίων χρυσού πάνω σε επιφάνειες οξειδίων.
Η νέα αυτή εργασία υποδηλώνει ότι η αλλαγή της γεωμετρίας της ίδιας της επιφάνειας του χρυσού θα μπορούσε να προσφέρει έναν εναλλακτικό τρόπο για να γίνει ο χρυσός πιο αντιδραστικός.