Золото не ржавеет. Об этом знают все. Но понимание того, почему это происходит, всегда казалось запертой дверью.
Два исследователя, Санту Бисвас и его коллега Мэттью Монтмор из Университета Тьюлейна, наконец повернули ручку. В журнале Physical Review Letters они опубликовали настоящую причину, по которой золото сохраняет свой блеск лучше, чем медь, железо или любой другой металл.
Это не магия. Это геометрия.
«Всем известно, что золото трудно окислить», — отметил Бисвас. При этом он акцентировал внимание на второй части вопроса. В чем же причина?
Обычно мы воспринимаем окисление как ржавчину или потускнение, в зависимости от контекста. Кислород атакует поверхность, связывается с атомами металла и меняет цвет. Процесс работает путем отрыва электронов. А золото? Золото копит электроны, подобно дракону, сидящему на горе золотых монет. Оно отказывается ими делиться.
Это лишь часть картины.
Но этого недостаточно, чтобы объяснить, насколько упорно этот металл сопротивляется изменениям. Бисвас и Монтмор заподозрили, что в дело вмешивается нечто другое. Что-то странное.
Когда вы раскалываете кусок золота — раскрывая свежую поверхность — атомы приходят в смятение. Или, точнее, перестраиваются. За считанные секунды они меняют свои позиции, образуя зигзагообразный узор. Ученые называют это поверхностной реконструкцией. Под сканирующим туннельным микроскопом это выглядит как елочная текстура дерева.
Ключевым моментом, по их словам, является именно эта химическая хитрость.
Пока атомы не осели в этот зубчатый защитный зигзаг, золото уязвимо. Молекулы кислорода — которые путешествуют парами — могут расщепляться и прикрепляться к поверхности. Эта реакция требует мало энергии. Она происходит в мгновение ока.
Затем происходит реконструкция.
Атомы поднимают более глубокие слои из массы металла. Они плотно смыкаются. Квадратная решетка превращается в плотную гексагональную упаковку. Структура уплотняется.
Почему? Потому что термодинамическое равновесие предпочитает порядок. Плотная упаковка позволяет атомам эффективнее обмениваться теплом. Это делает поверхность стабильной. Но при этом создает стену.
Кислород не может проникнуть внутрь.
Это похоже на попытку протиснуть руку сквозь сжатый кулак и раскрытую ладонь. Открытая ладонь — сырая, свежая поверхность — легко подвергается атаке. Сжатый кулак — реконструированное золото с текстурой «ёлочка» — практически непроницаем.
Последствия этого открытия касаются не только поддержания блеска наших ожерелий.
Химики хотят научиться контролировать этот процесс. Бисвас предполагает, что если покрыть поверхность золота абсорбирующим материалом, можно остановить реконструкцию. Держать поверхность в беспорядке. Держать ее уязвимой. Тогда золото будет окисляться. Легко.
Это революция для систем фильтрации воздуха. Представьте использование золота не только в качестве украшения, но и как губки для кислорода, которая извлекает его из газовых смесей, очищая остальное содержимое.
Так что в следующий раз, когда вы посмотрите на золотое кольцо, подумайте не только о богатстве. Подумайте о миллиардах крошечных атомов, лихорадочно выстраивающихся в зигзаги, чтобы удержать внешний мир на расстоянии.
Пока что это работает для них весьма успешно.
