Po raz pierwszy naukowcom udało się stworzyć arkusze złota o grubości zaledwie jednej warstwy atomowej. Materiał został nazwany goldene. Według naukowców z Uniwersytetu w Linköping w Szwecji dzięki temu złoto zyskało nowe właściwości, dzięki którym może nadawać się do zastosowań takich jak konwersja dwutlenku węgla, produkcja wodoru i produkcja substancji chemicznych o wartości dodanej. Wyniki ich badań opublikowano w czasopiśmie Nature Synthesis.
Naukowcy od dawna próbowali wytworzyć arkusze złota o grubości jednego atomu, ale nie udało im się to ze względu na tendencję metalu do zlepiania się. Ale naukowcom z Uniwersytetu w Linköping udało się to dzięki stuletniej metodzie stosowanej przez japońskich kowali.
„Jeśli zrobisz materiał niezwykle cienki, dzieje się coś niezwykłego – jak w przypadku grafenu. To samo dzieje się ze złotem. Jak wiadomo, złoto jest zwykle metalem, ale jeśli ma grubość jednego atomu, złoto może stać się półprzewodnikiem zamiast tego” – mówi Shun Kashiwaya, badacz w Wydziale Projektowania Materiałów na Uniwersytecie w Linköping.
Do stworzenia goldene naukowcy wykorzystali trójwymiarowy materiał bazowy, w którym złoto jest osadzone pomiędzy warstwami tytanu i węgla. Jednak wymyślenie Goldene okazało się wyzwaniem. Według Larsa Hultmana, profesora fizyki cienkowarstwowej na Uniwersytecie w Linköping, część postępu zawdzięczamy zbiegowi okoliczności.
„Stworzyliśmy materiał bazowy z myślą o zupełnie innych zastosowaniach. Zaczęliśmy od elektrycznie przewodzącej ceramiki zwanej węglikiem tytanu i krzemu, w której krzem występuje w cienkich warstwach. Następnie pomysł polegał na pokryciu materiału złotem, aby uzyskać kontakt. wystawiliśmy element na działanie wysokiej temperatury, warstwa krzemu została zastąpiona złotem wewnątrz materiału podstawowego” – mówi Lars Hultman.
Zjawisko to nazywa się interkalacją, a to, co odkryli naukowcy, to węglik tytanu i złota. Od kilku lat badacze zajmowali się węglikiem złota tytanu, nie wiedząc, w jaki sposób złoto można złuszczać lub rozcierać, że tak powiem.
Przez przypadek Lars Hultman odkrył metodę, która jest stosowana w japońskiej sztuce kucia od ponad stu lat. Nazywa się go odczynnikiem Murakamiego, który wytrawia pozostałości węgla i zmienia kolor stali, na przykład przy produkcji noży. Nie było jednak możliwe użycie dokładnie tego samego przepisu, co kowale. Shun Kashiwaya musiał przyjrzeć się modyfikacjom:
„Próbowałem różnych stężeń odczynnika Murakamiego i różnych okresów trawienia. Jeden dzień, tydzień, jeden miesiąc, kilka miesięcy. Zauważyliśmy, że im niższe stężenie i im dłuższy proces trawienia, tym lepiej. Ale nadal było to za mało” – mówi.
Trawienie należy również przeprowadzić w ciemności, ponieważ w reakcji pod wpływem światła powstaje cyjanek, który rozpuszcza złoto. Ostatnim krokiem było ustabilizowanie złotych arkuszy. Aby zapobiec zwijaniu się odsłoniętych dwuwymiarowych arkuszy, dodano środek powierzchniowo czynny. W tym przypadku długa cząsteczka oddzielająca i stabilizująca arkusze, czyli tensyd.
„Arkusze goldene są w roztworze, trochę jak płatki kukurydziane w mleku. Za pomocą pewnego rodzaju „sitka” możemy zebrać złoto i zbadać je za pomocą mikroskopu elektronowego, aby potwierdzić, że nam się udało. I to się udało” – mówi Shun. Kashiwaya.
Nowe właściwości goldene wynikają z faktu, że złoto ma dwa wolne wiązania, gdy jest dwuwymiarowe. Dzięki temu przyszłe zastosowania mogą obejmować konwersję dwutlenku węgla, katalizę wytwarzającą wodór, selektywną produkcję chemikaliów o wartości dodanej, produkcję wodoru, oczyszczanie wody, komunikację i wiele innych. Co więcej, ilość złota wykorzystywanego obecnie w zastosowaniach można znacznie zmniejszyć.
Następnym krokiem badaczy LiU jest zbadanie, czy można zrobić to samo z innymi metalami szlachetnymi i zidentyfikowanie dodatkowych przyszłych zastosowań.