Ученые выяснили, почему золото почти не тускнеет со временем

Ученые объяснили, почему золото способно сохранять блеск на протяжении столетий. Компьютерное моделирование показало, что атомы на некоторых поверхностях металла самопроизвольно перестраиваются и создают структуру, которая резко затрудняет взаимодействие с кислородом. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Работу провели исследователи Тулейнского университета Санту Бисвас и Мэтью Монтемор. Они изучили две распространенные поверхности кристаллического золота и рассчитали, как с ними взаимодействуют молекулы кислорода. Для этого ученые использовали компьютерные модели, описывающие поведение атомов и электронов.

Обычно устойчивость золота к потемнению объясняют его низкой химической активностью. Новый анализ показал, что одной химии недостаточно. Атомы в верхнем слое металла меняют свое расположение и образуют упорядоченный рисунок, отличающийся от внутренней структуры кристалла. На отдельных поверхностях возникает плотная структура с шестиугольным расположением атомов.

Эта перестройка мешает молекулам кислорода распадаться на отдельные атомы. Именно такое расщепление необходимо для начала реакции окисления. На поверхности с обычным расположением атомов кислород мог бы разрушаться и вступать в реакцию с золотом значительно легче.

Расчеты показали, что защитная структура замедляет взаимодействие золота с кислородом в диапазоне от миллиарда до триллиона раз. Фактически атомная поверхность создает естественный барьер, который помогает металлу долго сохранять цвет и блеск.

Открытие важно не только для объяснения свойств украшений и древних золотых предметов. Золото также используют в качестве катализатора — материала, который ускоряет химические реакции. Его применяют или рассматривают для производства компонентов пластмасс, очистки автомобильных выхлопов от угарного газа и получения промышленных химических соединений.

При этом та же устойчивость к кислороду, которая защищает золотые изделия от потускнения, ограничивает возможности металла в промышленности. Для некоторых реакций катализатор должен разделять молекулы кислорода, а перестроенная поверхность золота препятствует этому процессу.

Исследователи предполагают, что эффективность золотых катализаторов можно повысить, если научиться предотвращать или обращать вспять защитную перестройку атомов. Ранее активность золота пытались усиливать главным образом за счет соединения с другими металлами или создания наночастиц на специальных основаниях. Новая работа указывает еще на один путь — управление геометрией поверхности на атомном уровне.