Оригинален блог на английски от Meng Wu
Първоначално публикувано на 14 февруари 2018 г.
Превод от Марая Дули, Под редакцията на Къртис Грийн

температура

Златото е един от най-желаните метали в света. Благородният жълт метал е рядък в природата и се използва като средство за валута и за производство на бижута от древни времена (Фигура 1) 1. Смята се, че метеорите са донесли този метал на земята, златото наистина е извън този свят! 2 Има много причини, поради които златото е специално и защо то е запазило своята стойност в нашите общества. Но златото може да бъде дори по-специално, отколкото си мислим.

Фигура 1: Златна диадема от древна Гърция (4 век пр.н.е.). В музея на изкуството в Далас. (Изображение от Мери Харрш)

Чрез производството и обработката на този лъскав метал хората постепенно са научили неговите физични и химични свойства. „Истинското злато не се страхува от огън“ е древна китайска поговорка, която произлиза от факта, че насипното злато остава непокътнато и блестящо, когато се постави върху дървен огън (600-1000 ° C), докато повечето други метали (като медта, цинк и никел и техните сплави) биха се стопили и/или загубили блясъка си при тези условия. От химическа гледна точка казваме, че златото има отлична химическа стабилност срещу окисляване и относително висока точка на топене (1064 ° C). Но се оказва, че благодарение на нанонауката има начини да се промени начинът, по който златото се държи при различни температури, като същевременно запазва другите си специални характеристики.

Нека използваме ежедневния си опит с водата като пример, за да разберем какво се случва със златото. Знаем, че ледът (твърд) винаги се стопява във вода (течност) при фиксирана температура и тогава изглежда, че водата изглежда винаги се изпарява до пара (газ) при фиксирана температура. Тези температури са известни съответно като точки на топене и кипене. Точките на топене и кипене могат да бъдат различни в зависимост от местното налягане. Това е причината вашите рецепти за готвене или печене да имат различни инструкции за голяма надморска височина, която има по-ниско въздушно налягане от ниската надморска височина.

Не е нужно обаче да се качваме нагоре и надолу по планините, за да манипулираме точката на кипене. Лесно можем да направим това чрез промяна на местното налягане, както работи тенджерата под налягане: чрез увеличаване на налягането, точката на кипене на водата се увеличава до по-висока температура, което означава, че водата може да се нагрява без изпаряване, което от своя страна прави храната гответе по-бързо (Фигура 2).

Фигура 2: Тенджера под налягане променя точката на кипене на съдържанието си (Изображение от goodfreephotos.com).

За да разберем как тенджера под налягане увеличава налягането вътре, трябва да помним какво се случва с молекулите на течността при нагряване: Те започват да се отделят допълнително! До точката на топене обаче той е много по-малко чувствителен към местната промяна на налягането. Това е така, защото в сравнение с течността, която се изпарява до газ, обемът обикновено не се увеличава твърде много, когато твърдите вещества се стопят в течност. (Допълнителна бележка: водата е необичайна с това, че нейният обем всъщност се увеличава, когато замръзне до твърдо вещество. - Избухвали ли сте някога консерва със сода във фризера? - Но това е тема за друга публикация!)

Основното е, че не е практично да се манипулира точката на топене на дадено вещество чрез промяна на местното налягане. Трябва да направите драстична промяна в налягането, за да получите дори малка промяна в точката на топене (Фигура 3).

Фигура 3: Обемът се променя много при преминаване от газ към течност; не толкова, когато преминава от течност в твърдо вещество. (Изображение от Yeled)

Но има ли други начини за промяна на точката на топене на даден материал? И връщайки се към основната тема на тази публикация, можем ли да разтопим златото при стайна температура?

В предишна публикация в блога „Наночастиците са навсякъде около нас“ обсъдихме, че тъй като размерът на материала намалява в наномащаба, много физични и химични свойства също се променят. Това се дължи главно на "повърхностния ефект". Или към увеличаването на съотношението повърхност-обем (Фигура 4) 3 .

Фигура 4: Силата на наночастиците - Повърхността се увеличава с намаляването на размера на частиците. (Изображение от Боб Хамерс)

Цветът на златото, например, се променя от ярко жълт до тъмно жълт, когато размерът му намалява до диапазона от нанометри (Фигура 5). И така, как се променя точката на топене на даден материал, когато размерът му намалява до нанометрова скала?

Фигура 5: Разтвори на златни наночастици. Цветовете на разтвора се променят с увеличаването на размера на златните наночастици. (Изображение от Александър Кондински)

Още през 1871 г. (когато той нямаше как всъщност да погледне наночастиците), г-н Уилям Томсън показа, че точката на топене се променя обратно на радиуса на частица, съгласно следното уравнение, известно днес като уравнение на Гибс - Томсън 4. Ако добавите информация за размера на частиците и други характеристики на материала, това уравнение показва, че размерът и точката на топене на материала са пряко свързани. С намаляването на размера на материала намалява и точката на топене. Това явление е известно като "депресия с точка на топене". 5

Фигура 6: Връзка между размера на частиците и точката на топене на златните наночастици. (Графика, използвана с разрешение от Schmid & Corain (2003) 6).

Фигура 6 показва връзката между размера на наночастиците и точката на топене на златото, според уравнението на Гибс-Томсън. Както виждаме, точката на топене на златните наночастици може да бъде дори по-ниска от стайната температура (

23-25 ​​° C), когато размерът намалее до по-малко от около 1,4 nm. При този размер във всяка наночастица има само около 85 атома и повечето от атомите са изложени на повърхността 6. (За разлика от това в 4 nm частица има около 2000 атома злато, оставяйки още повече атоми вътре в частицата. Може да се чудите, откъде знаем това? Вижте, нашата публикация в блога „Как изчислявате колко атома има ли наночастица? ”(на английски).)

Разликата между твърдо вещество и течност е лесна за наблюдение при обекти с нормални размери: течностите се движат, текат и приемат формата на обектите, които ги съдържат, но твърдите вещества са твърди и не се плъзгат 7. Но има ли начин да визуализираме директно „течните наночастици“, които описвахме?

Фигура 7: За разлика от наночастиците е лесно да се наблюдава кога котките притежават свойствата на течност 8 (изображение на Peregrino Will Reign)

За тази цел е подходяща трансмисионната електронна микроскопия (ТЕМ). Когато електронният лъч удари проба, той може да нагрее и разтопи наночастиците. Атомите в пробата също могат да доведат до дифракция на падащия електронен лъч в много специфични посоки. Чрез измерване на ъглите и интензитета на тези дифрагирани лъчи могат да се създадат дифракционни модели и да се определи положението на атомите в пробата. Атомите обикновено са силно подредени в твърдо вещество, но те се движат в течности, което ще доведе до различни дифракционни модели. Обикновено се наблюдават точкови шарки за твърди проби, докато хало орнаменти обикновено се наблюдават за течни проби. След това можем да разграничим твърдото състояние от течното, като разгледаме техните електронови дифракционни модели. (За повече информация относно електронната микроскопия вижте публикацията ни в испанския блог „Природа под микроскопа: Изследване на красотата на нанонауката“).

Фигура 8: Дифракционен модел за течно състояние (хало модели, вляво) и твърдо състояние (петна модели, вдясно) на олово. (Изображение възпроизведено с разрешение от JPSJ, Takagi (1954) 9)

Още през 1954 г. Такаги за първи път използва тази стратегия, за да тества „потискане на точката на топене“ (Фигура 8). Той избра олово за изследване, тъй като има относително ниска точка на топене и лесно може да се превърне в слой с дебелина 5 nm. Под TEM Takagi и неговият екип наблюдават, че точката на топене на дебел 5nm слой намалява от обичайните 327 ° C до 170 ° C. 9

Въпреки че резултатите на Такаги бяха впечатляващи, те не успяха да уловят прехода от твърдо към течно състояние в реално време. Днес можем да направим това благодарение на развитието на това, което се нарича TEM in situ. По-интересното е, че наскоро екип от учени от Украйна и Беларус откриха, че дори твърдото сребърно наночастица може да се държи като течност. 10 Когато сребърните наночастици с по-малко от 10 nm бяха поставени върху волфрамов връх, изследователите наблюдават "течно" поведение при определени обстоятелства. Сребърните наночастици остават силно кристални отвътре, което означава, че не са се стопили - ако частиците са се разтопили, бихме очаквали да видим кристални шарки и напълно рандомизирана атомна подредба (като хало схемата на Фигура 8). Това интересно „течно“ поведение се дължи на атомите на сребърната наночастица, движеща се под налягане, което създава илюзия, че се топи (Фигура 9).

Фигура 9: Предавателна електронна микроскопия с висока разделителна способност, показваща деформация, подобна на течност, на сребърни наночастици. (Изображение, използвано с разрешение от Sun et al. (2014) 11)

Всичко това ни помага да разберем, че въпреки че хората са смятали, че „истинското злато не се страхува от огън“, сега знаем, че наномащабните метали, включително златото, могат да се държат като течности при стайна температура.

От една страна, понижаването на точката на топене би означавало, че някои наночастици са по-малко полезни, ако трябва да бъдат в твърдо състояние, за да функционират в техните технологични приложения. От друга страна, понижаването на точката на топене също е много полезно за приложения, където наночастиците се представят по-добре в течно състояние. Например, можем лесно да променим формата на материалите в наномащаба при температури много по-ниски, отколкото предполага тяхната точка на топене.

Затова отговорът на въпроса, с който започнахме, е: Да! Всъщност златото или всеки друг материал може да се счита за „разтопено/разтопено“ благодарение на невероятните свойства на наномащабните материали.