Oamenii de știință au creat cel mai subțire din lume aur frunză, care are o grosime de doar un atom.
Noul material, numit „aur”, ar putea avea aplicații importante în conversia dioxidului de carbon și generarea de hidrogen, au spus cercetătorii.
Pentru a face golden, echipa a folosit o tehnică veche de 100 de ani, folosită de fierarii japonezi de fier pentru a izola straturile individuale ale metalului prețios. Ei și-au raportat munca în jurnal Sinteza naturii pe 16 aprilie.
Cercetătorii sunt interesați în special de materialele bidimensionale din cauza proprietăților lor optice, electronice și catalitice neobișnuite. Suprafața extrem de mare a acestor substanțe în raport cu volumul lor înseamnă că se comportă foarte diferit față de solidele în vrac identice din punct de vedere chimic și au fost raportate numeroase exemple de materiale 2D de la descoperirea grafenului în 2004.
Legate de: Cel mai subțire dispozitiv electronic din lume are o grosime de 2 atomi
Cu toate acestea, majoritatea acestor materiale sunt preparate din nemetale sau compuși amestecați, iar crearea de foi cu un singur atom de metale pure este mult mai dificilă.
„Metalelor nu le place să fie singure.” Michael Yeung, un chimist în stare solidă de la Universitatea din Albany, a spus Live Science într-un e-mail. „Deoarece legarea metalelor este delocalizată, ele se vor lega cu ușurință de ele însele și se vor aglomera. Pregătirea unui singur strat este o ispravă, deoarece lupți împotriva dorinței metalului de a se lega nu numai cu el însuși, ci și cu alte foi.”
Încercările anterioare s-au confruntat cu această problemă. Mai multe echipe au creat un singur strat de atomi de aur încorporați în a solid de susținere, cum ar fi carbura de siliciu acoperită cu grafen — „ca un fel de structură „sandwich”, folosind grafenul ca pseudo-pâine și aurul ca carne”, a spus Yeung. Dar extragerea aurului din aceste solide stratificate complexe s-a dovedit problematică, atomii de aur coagulându-se în nanoparticule de îndată ce suportul a fost îndepărtat.
Shun Kashiwayaprofesor asistent la Departamentul de Fizică, Chimie și Biologie de la Universitatea Linkӧping din Suedia, și colegii săi au întors această abordare pentru a izola cu succes foile de aur pentru prima dată.
Au început prin a crea o structură stratificată de titan, siliciu și carbon, pe care apoi le-au acoperit cu un strat de suprafață de aur. Peste 12 ore, particulele de aur s-au difuzat în material, înlocuind stratul de siliciu cu aur și creând o foaie de aur încorporată în solid. Cu toate acestea, în loc să încerce să îndepărteze stratul de aur, echipa a gravat cu grijă tot solidul din jur, lăsând foaia de aur neatinsă.
Ei și-au dat seama de tehnică atunci când coautorul studiului Lars Hultman, profesor la Departamentul de Fizică, Chimie și Biologie de la Universitatea Linkӧping, cerceta agenții chimici. Hultman a găsit o metodă veche de 100 de ani, folosită de fierarii japonezi pentru a îndepărta reziduurile de carbură din oțel, a declarat Kashiwaya pentru Live Science. Numit reactiv al lui Murakami sau fericianură de potasiu alcalină, soluția a gravat suportul din carbură de titan din jur, fără a afecta foaia de aur.
Pentru a perfecționa metoda, echipa a experimentat diferite condiții de reacție și concentrații ale soluției de gravare. În mod crucial, ei au descoperit că adăugarea unei cisteine ca surfactant sau a unei substanțe chimice care scade tensiunea superficială a unui lichid, a stabilizat foile izolate și a împiedicat atomii de aur să se agrupeze și să se combine în nanoparticule.
Foile de aur de sine stătătoare aveau până la 100 de nanometri lungime și sunt de sute de ori mai subțiri decât foile de aur obișnuite.
Kashiwaya și Hultman cred că, datorită reactivității chimice îmbunătățite a aurului, acesta ar putea avea aplicații importante în reacțiile de transformare a dioxidului de carbon în combustibili precum etanol și metan și apa în hidrogen. În prezent lucrează la îmbunătățirea metodei sintetice.
„Ne propunem să explorăm proprietățile fizice și chimice fundamentale ale aurului și să dezvoltăm în continuare procesul de sinteză pentru a crește atât suprafața foii de aur, cât și randamentul”, a spus Kashiwaya. „De asemenea, ne imaginăm aplicarea acestei abordări pentru a produce alte materiale 2D elementare (metalene) dincolo de aur”.
Yeung este interesat în mod deosebit de pregătirea de noi materiale 2D posibile prin această metodă. „Abilitatea de a grava selectiv ceea ce este în mod normal stabil înseamnă că se pot realiza o grămadă de materiale noi”, a spus el.
Următorul pas ar putea fi crearea unui singur strat de argint folosind alumina ca bază, a spus Yeung.