Nội dung bài viết
Các nguyên tử vàng riêng lẻ di chuyển xung quanh để tạo thành các cấu trúc chống oxy hóa. Vàng thật kì lạ.
Đó là một trong số ít kim loại không thực sự bị oxy hóa. Ngay cả bạc và đồng—từ cùng một cột trong bảng tuần hoàn—tạo thành các oxit yếu.
Một cách ngây thơ, bạn có thể cho rằng vàng sẽ bị xỉn màu giống như bạc. Vàng cũng nằm ngay cạnh bạch kim, nhưng nó không có đặc tính xúc tác nào như kim loại đó.
Sau đó, các hạt nano vàng hoạt động như chất xúc tác, và chúng tôi bối rối trước sự sẵn lòng tham gia vào các phản ứng hóa học của chúng. Giờ đây, một cặp nhà khoa học đã giải thích rằng tính trơ của vàng không phải do nguyên tử mà có ở các bề mặt mà tinh thể vàng hình thành.
Trước khi đi đến kết quả, trước tiên chúng ta hãy xem xét cách giải thích truyền thống về tính trơ của vàng và tại sao một vật liệu trơ không có hoạt tính xúc tác lại đột nhiên đóng vai trò là chất xúc tác khi ở dạng hạt nano.
Nguyên tử được cấu tạo từ một hạt nhân trung tâm được bao quanh bởi các electron. Các electron tạo thành một cấu trúc, ghép cặp và lấp đầy các quỹ đạo từ năng lượng thấp nhất đến năng lượng cao nhất, với mỗi quỹ đạo yêu cầu số lượng cặp khác nhau.
Những quỹ đạo này không giống như quỹ đạo hành tinh mà là một loại mức độ ảnh hưởng—chúng là ometimes round but have other shapes as well. Các quỹ đạo có năng lượng cao nhất thường ở xa hạt nhân trung tâm hơn, khiến chúng tiếp xúc với phần còn lại của thế giới.
Khả năng sẵn sàng phản ứng của một nguyên tử là do các quỹ đạo được lấp đầy một phần ở năng lượng cao nhất, nhưng không có gì hoàn toàn gọn gàng đến thế.
Đối với các nguyên tử rất nặng, thứ tự các quỹ đạo được lấp đầy rất phức tạp và các quỹ đạo được lấp đầy một phần có thể tiến gần hơn đến hạt nhân. Nếu điều đó xảy ra, những quỹ đạo đó sẽ được che chắn khỏi Vũ trụ bởi những quỹ đạo ngoài cùng chứa đầy các cặp electron hạnh phúc.
Đây là lý do tại sao, chúng ta được biết, vàng là chất trơ: các electron bất hạnh của nó được che chắn bởi các electron hạnh phúc. Việc phát hiện ra rằng các hạt nano vàng có thể hoạt động như chất xúc tác cho chúng ta biết rằng lời giải thích này chưa đầy đủ.
Nó cũng làm cho việc thiếu hoạt động xúc tác trên bề mặt vàng khối trở thành một điều bí ẩn. Nói chung, chất xúc tác là vật liệu cho phép phản ứng xảy ra mà không bị tiêu hao (một số chất xúc tác được tiêu thụ, nhưng chúng ta đừng tiết lộ chi tiết).
Mọi phản ứng đều cần phải vượt qua rào cản năng lượng để bắt đầu, chẳng hạn như chúng ta làm nóng mọi thứ để đốt cháy. Chất xúc tác làm giảm rào cản đó, cho phép phản ứng bắt đầu ở mức năng lượng thấp hơn nhiều S.
Hệ thống sinh học cực kỳ hiệu quả trong việc tạo ra các phản ứng diễn ra ở nhiệt độ và áp suất thấp thông qua việc sử dụng chất xúc tác. Hóa học công nghiệp đạt được tốc độ, quy mô và tiết kiệm chi phí nhờ chất xúc tác, cho phép sản xuất mọi thứ từ hóa dầu đến dược phẩm.
Trong xúc tác, diện tích bề mặt và cấu trúc bề mặt đóng vai trò cực kỳ quan trọng. Về cơ bản, một phân tử trước tiên phải bám vào bề mặt chất xúc tác.
Sau đó, tùy thuộc vào vị trí nó dính vào, phân tử sẽ uốn cong và giãn ra thành hình dạng khác nhau. Ở mức cực đoan, điều này có thể khiến nó tan rã – ví dụ như, một phân tử oxy trở thành hai nguyên tử oxy riêng biệt, khiến cả hai nửa ở trạng thái phản ứng cao.
Các nửa có khả năng phản ứng cao sau đó có thể phản ứng với các phân tử khác để tạo thành các phân tử mới ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với yêu cầu. Vì vậy, chất xúc tác tốt phải có diện tích bề mặt lớn với nhiều vị trí mà các loài mục tiêu có thể dính vào và rơi ra.
Để vàng hoạt động như hiện tại—hoạt động như một hạt nano, không có chất xúc tác khi ở dạng khối—nó phải thể hiện một bề mặt có các vị trí xúc tác khi nó hiện diện dưới dạng hạt nano, nhưng những vị trí đó phải biến mất trên các bề mặt khối, ngay cả khi bạn làm cho chúng thô ráp. h và không đều.
Vàng (và thực tế là tất cả các kim loại ở trạng thái rắn) tạo thành tinh thể. Nếu bạn cắt một tinh thể dọc theo các mặt phẳng nguyên tử khác nhau, bạn sẽ có những cách sắp xếp khác nhau trên bề mặt.
Bằng vàng, một số mặt phẳng có lưới hình vuông, trong khi những mặt khác có lưới hình lục giác. Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng một số bề mặt đó sẽ có hoạt tính xúc tác mạnh hơn những bề mặt khác.
Để xác nhận điều này, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu hoạt động của phân tử oxy trên từng loại bề mặt vàng. Họ hỏi lượng oxy phân tử sẽ bám vào bề mặt là bao nhiêu, và đối với những phân tử bám dính, năng lượng cần thiết để khiến phân tử oxy bị phân tách là bao nhiêu.
Họ chỉ ra rằng cấu trúc bề mặt thường thấy ở vàng khối – dạng hình lục giác – không giữ oxy rất mạnh và cấu trúc của oxy không bị biến dạng. Điều đó có nghĩa là vẫn cần rất nhiều năng lượng để tách phân tử oxy thành hai nguyên tử sẵn sàng phản ứng.
Mặt khác, nếu cấu trúc vàng là dạng hình vuông, các phân tử oxy dễ dàng bám vào bề mặt và bị biến dạng đến mức tách ra, khiến chúng sẵn sàng phản ứng (thực tế, trong những điều kiện này, vàng cũng sẽ bị oxy hóa).
Các nhà nghiên cứu ước tính e rằng bề mặt vàng dạng lưới vuông hoạt động giống như các kim loại xúc tác thông thường, chẳng hạn như bạch kim. Bề mặt vàng cũng hoạt động khá tích cực theo nghĩa là các nguyên tử vàng sẽ dễ dàng tự sắp xếp lại trên bề mặt.
Bằng cách di chuyển xung quanh, chúng thay đổi một mạng hình vuông phẳng lộ ra thành một mạng lục giác không hoạt động thô hơn một chút. Nhưng sự thay đổi, được gọi là tái tạo bề mặt, không thể xảy ra theo bất kỳ cách nào.
Thay vào đó, các nguyên tử di chuyển để tạo thành cấu trúc lặp lại 2D bao phủ bề mặt tiếp xúc và diện tích cần thiết để tạo thành một đơn vị hoàn chỉnh của cấu trúc lặp lại là khá lớn.
Trên một khối vàng, đây không phải là vấn đề vì có rất nhiều nguyên tử chuyển động xung quanh, nên mỗi bề mặt gần như trơ hoàn toàn. Trên các hạt nano, câu chuyện lại khác.
Số lượng nguyên tử hạn chế có nghĩa là không có đủ nguyên tử hoặc không gian để tái tạo bề mặt. Vì vậy, một loại vật liệu được biết đến với tính trơ đột nhiên lộ ra màu sắc thực sự và bắt đầu phản ứng và hoạt động như một chất xúc tác.
Gợi ý thực hành:
1. Theo dõi thông báo từ cơ quan địa phương tại California.
2. Kiểm tra nguồn chính thức trước khi chia sẻ lại thông tin.