zlato je jedním z nejžádanějších kovů na světě. Vzácný žlutý kov je v přírodě vzácný a používá se jako prostředek měny a při výrobě šperků od starověku (Obrázek 1).1 věřil být přiveden na Zemi meteory, zlato je opravdu z tohoto světa!2 Existuje mnoho důvodů, proč je zlato zvláštní a proč si zachovalo svou hodnotu v našich společnostech., Ale zlato může být ještě výjimečnější, než jsme si mysleli.
O tvorbě a zpracování této lesklý kov, lidé se postupně naučili jeho fyzikální a chemické vlastnosti., „Pravda zlato bojí ohně“ je staré Čínské přísloví, které pochází ze skutečnosti, že hromadné zlato zůstane neporušený a lesklé, pokud jsou umístěny nad lesní požáry (600-1000 °C), vzhledem k tomu, že většina ostatních kovů (jako je měď, zinek a nikl a jejich slitiny) by se roztavit a/nebo zakalit v těchto podmínkách. Z chemického hlediska říkáme, že zlato má vynikající chemickou stabilitu proti oxidaci a relativně vysokou teplotu tání (1064 °C). Ukazuje se však, že díky nanovědě existují způsoby, jak změnit chování zlata při různých teplotách při zachování jeho dalších zvláštních vlastností.,
jako příklad použijeme naše každodenní zkušenosti s vodou, abychom pochopili, co se děje se zlatem. Víme, že LED (pevný) se zdá, že se vždy roztaví na vodu (kapalinu) při pevné teplotě, a pak se zdá, že voda se vždy odpařuje na páru (plyn) při pevné teplotě. Tyto teploty se označují jako bod tání a bod varu. Body tání a varu se mohou lišit v závislosti na místním tlaku. To je důvod, proč vaše recepty na vaření nebo pečení mohou mít různé pokyny pro vysoké nadmořské výšky, které mají nižší tlak vzduchu než nízké nadmořské výšky.,
nemusíme však lézt nahoru a dolů po horách, abychom zmanipulovali bod varu. Můžeme snadno provést změnou lokálního tlaku, což je, jak tlakový hrnec funguje: zvýšením tlaku, je bod varu vody se zvýší na vyšší teploty, což znamená, že voda může dostat teplejší, bez ovací, který dělá jídlo se vaří rychleji (Obrázek 2).
pochopit, jak tlakový hrnec zvyšuje tlak uvnitř, musíme mít na paměti, co se stane s molekulami kapaliny, když se ohřívá: začnou se pohybovat dál od sebe! Bod tání je však mnohem méně citlivý na místní změnu tlaku. Je to proto, že ve srovnání s odpařováním kapaliny na plyn se objem obecně příliš nezvyšuje, když se pevné látky roztaví na kapaliny. (Boční poznámka: voda je neobvyklá v tom, že její objem se ve skutečnosti zvětšuje, když zmrzne na pevnou látku – někdy v mrazáku exploduje plechovka sody?, – ale to je téma pro další příspěvek!)
hlavním bodem je, že není praktické manipulovat s bodem tání látky změnou místního tlaku-museli byste provést drastickou změnu tlaku, abyste získali i malou změnu bodu tání (obrázek 3).
existují však jiné způsoby, jak změnit bod tání materiálu?, A dostat se zpátky k hlavnímu tématu tohoto příspěvku, můžeme roztavit zlato při pokojové teplotě?
V dřívějším blogu, „Nanočástice Jsou všude Kolem Nás,“ diskutovali jsme o tom, že jako velikost materiálu, snižuje se nanoměřítku, mnoho fyzikální a chemické vlastnosti také změnit. To je většinou způsobeno“ povrchovým efektem “ nebo zvýšeným poměrem plochy k objemu (obrázek 4).3
barva zlata, například, se změní z lesklé žluté až po tmavě červenou, když jeho velikost se snižuje na nanometrové škále (Obrázek 5). Jak se tedy mění bod tání materiálu, když jeho velikost klesá na nanoskale?
již v roce 1871 (když on měl žádný způsob, jak skutečně vidět nanočástice), Sir William Thomson ukázal, že tání mění nepřímo s poloměrem částice podle následující rovnice, dnes známé jako Gibbs-Thomson equation4:
Pokud se připojíte informace o materiálu, velikost částic a další vlastnosti, tato rovnice ukazuje, že materiál je velikost a teplota tání jsou přímo souvisí. Jak se velikost materiálu snižuje, teplota tání se také sníží., Tento jev je běžně známý jako „deprese bodu tání“.5
Obrázek 6 ukazuje vztah mezi nanočástic velikost a teplota tání zlata podle Gibbs-Thomson rovnice. Jak vidíme, teplota tání nanočástic zlata může být dokonce nižší než pokojová teplota (~23-25 °C), když velikost klesne na méně než asi 1.,4 nm. Při této velikosti je v každé nanočástici přítomno pouze asi 85 atomů a většina atomů je vystavena na povrchu.6 (naproti tomu v částici 4 nm je téměř 2000 atomů zlata, přičemž většina atomů zůstává stále na vnitřní straně částice. Zajímá Vás, jak to víme? Podívejte se na náš blogový příspěvek: „jak můžete vypočítat, kolik atomů je v nanočástici?“)
rozdíl mezi pevnou a kapalnou, je snadné vidět, pro normální velikosti objektů: kapalin, pohyb, průtok, a vzít tvar, co containter, že jsou ale tuhé látky jsou tuhé a nemají cákat kolem.,7 existuje však způsob, jak přímo vizualizovat „tekuté nanočástice“, které zde popisujeme?
Transmisní elektronové mikroskopie (TEM) je velmi dobře hodí pro tento účel. Když elektronové paprsky narazí na vzorek, mohou se zahřát a roztavit nanočástice. Atomy ve vzorku mohou také způsobit, že dopadající elektronové paprsky difraktují do mnoha specifických směrů., Měřením úhlů a intenzit těchto difrakčních paprsků lze vytvořit difrakční vzory a určit polohu atomů ve vzorku. Atomy jsou obecně vysoce uspořádány v pevných látkách, ale pohybují se v kapalinách, což povede k různým difrakčním vzorcům. Skvrnité vzory jsou obvykle pozorovány u pevných vzorků, zatímco halo vzory jsou obvykle pozorovány u kapalných vzorků. Pak můžeme rozlišit pevný stav od kapalného stavu tím, že se podíváme na jejich elektronové difrakční vzorce., (Více o elektronové mikroskopii naleznete v našem příspěvku „Příroda pod mikroskopem: zkoumání krásy nanovědy“.)
již v roce 1954, Takagi první použil tuto strategii vyzkoušet „tání potlačení“ (Obrázek 8). Vybral si olovo ke studiu, protože má relativně nízkou teplotu tání a lze jej snadno vyrobit z filmu o tloušťce 5 nm., Pod TEM, Takagi a jeho tým viděl, že bod tání 5 nm-silné vedení filmu se snížil z obvyklých 327 °C do 170 °C. 9
i když Takagi výsledky byly působivé, oni nebyli schopni zachytit solid-kapalina-transformace v reálném čase. V dnešní době to můžeme udělat díky vývoji toho, co se nazývá in situ TEM.10 když byly nanočástice stříbra menší než 10 nm umístěny na špičku wolframu, vědci za určitých okolností pozorovali chování podobné „tekutině“., Stříbrné nanočástice zůstal vysoce krystalický v interiéru, což naznačuje, že neměli tát — li částice skutečně roztaví, můžeme očekávat, že vidět žádné krystalické struktuře a zcela náhodně atomové uspořádání (jako halo vzor z obrázku 8). Tento zajímavý „liquid-like“ chování bylo připisováno atomy na stříbrných nanočástic pohybuje pod tlak, dávat iluzi, že je to rozpuštěné (Obrázek 9).,
to Vše nám pomáhá pochopit, že i když lidé si myslí, že „pravda zlato bojí ohně,“ nyní víme, že nanočástice kovů, včetně zlata, se mohou chovat jako kapaliny při pokojové teplotě!,
na jedné straně by deprese bodu tání mohla učinit některé nanočástice méně užitečnými, pokud potřebují být v pevném stavu, aby fungovaly ve svých technologických aplikacích. Na druhé straně je deprese bodu tání také velmi užitečná pro aplikace, kde nanočástice fungují lépe v kapalném stavu. Například můžeme snadno změnit tvar nanoscaled materiálů při mnohem nižších teplotách, než by naznačovala jejich teplota tání.
odpověď na otázku, se kterou jsme začali, je: Ano!, Teoreticky může být zlato nebo jakýkoli jiný materiál považován za „roztavený“ díky úžasným vlastnostem materiálů v nanoscale.
vzdělávací zdroje
- Mezinárodní Asociace pro vlastnosti vody a páry: proč se voda rozšiřuje, když zamrzne?
- Journal of Chemical Education: The Science of Chocolate: Interaktivní Aktivity na Fázové Přechody, Emulgace, a Nukleace Amy Rowat et al., (může vyžadovat předplatné)
- University of Georgia Rozšíření: Věda Za naše Jídlo – Pomocí Zmrazení Bodu Deprese Najít Molekulární Hmotnosti
Leave a Reply